DE10083498B4 - A method of producing a thin polycrystalline layer and an oxide superconducting element - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen polykristallinen Schicht bestehend aus Oxidkristallkörnern, deren Kristallstruktur ein seltenes Erdoxidtyp (C) ist, das mit einer der nachstehenden Formeln beschrieben wird: Y2O3, Sc2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3 und Lu2O3, die auf der schichtbildenden Oberfläche eines polykristallinen Substrats aufgebracht werden, wobei die Neigungswinkel der Korngrenze zwischen entsprechenden Kristallachsen verschiedener Kristallkörner entlang der parallel zur schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats verlaufenden Ebene in einem Winkel von 30° gehalten werden, wobei das polykristalline Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 250 bis 350°C gebracht wird, und ein Ionenstrahl aus Kr+ oder Xe+ Ionen oder ein aus diesen Ionen kombinierter Strahl von einer Ionenquelle erzeugt wird, wobei die Energie des Ionenstrahls in einem Bereich von zwischen 125 eV und 175 eV eingestellt wurde, während der Einfallswinkel des die schichtbildende Oberfläche des polykristallinen Substrats bestrahlenden Ionenstrahls zwischen 50 und 60 Grad zur normalen Richtung der...A method for producing a thin polycrystalline layer composed of oxide crystal grains whose crystal structure is a rare earth oxide type (C) described by any one of the following formulas: Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3, and Lu 2 O 3 coated on the film-forming surface of a polycrystalline substrate wherein the inclination angles of the grain boundary between respective crystal axes of different crystal grains are kept at an angle of 30 ° along the plane parallel to the film-forming surface of the polycrystalline substrate, the polycrystalline substrate being brought to a temperature in the range of 250 to 350 ° C, and an ion beam of Kr + or Xe + ions or a beam combined from these ions is generated from an ion source, the energy of the ion beam being in a range of between 125 eV and 175 eV, while the incident angle of the ion beam irradiating the film-forming surface of the polycrystalline substrate is set between 50 and 60 degrees to the normal direction of the ...

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Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen polykristallinen Schicht mit einer Kristallstruktur eines seltenen Erdoxidtyps (C) mit einer gut ausgerichteten Kristallorientierung und ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oxidelements, welches hervorragende supraleitende Eigenschaften aufweist und eine, auf der zuvor genannten dünnen polykristallinen Schicht gebildete, supraleitende Oxidschicht umfasst.The The present invention relates to a process for the preparation of a thin polycrystalline layer with a crystal structure of a rare Type of earth oxide (C) with a well oriented crystal orientation and a method for producing an oxide superconducting element, which has excellent superconducting properties and one which on the aforementioned thin comprises polycrystalline layer formed superconducting oxide layer.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Die supraleitenden Oxidstoffe, die in den letzten Jahren entdeckt wurden, sind gute supraleitende Stoffe, deren kritische Temperatur über der Temperatur von flüssigem Stickstoff liegt. Es bleiben jedoch viele Probleme zu lösen, bevor supraleitende Oxidstoffe als Supraleiter in der Praxis angewendet werden können. Eins der Probleme ist die niedrige kritische Stromdichte der supraleitenden Oxidstoffe.The superconducting oxides discovered in recent years are good superconducting substances whose critical temperature is above the Temperature of liquid Nitrogen lies. However, many problems remain to be solved before Superconducting oxides are used as superconductors in practice can be. One of the problems is the low critical current density of the superconducting ones Oxidstoffe.

Das Problem der niedrigen kritischen Stromdichte des supraleitenden Oxidstoffes kommt hauptsächlich von der elektrischen Anisotropie, die den Kristallen des supraleitenden Oxidstoffes eigen ist. Es ist bekannt, dass die elektrische Leitfähigkeit der supraleitenden Oxidstoffe in den Richtungen der a-Achse und der b-Achse des Kristalls hoch, jedoch in der Richtung der c-Achse niedrig ist. Zur Verwendung einer auf einem Substrat gebildeten supraleitenden Oxidschicht als supraleitendes Element ist es daher erforderlich, auf einem Substrat eine supraleitende Oxidschicht mit einer guten Kristallorientierung zu bilden und die a-Achse oder die b-Achse des Kristalls des supraleitenden Oxidstoffs mit der beabsichtigten Richtung des Stromflusses auf eine Linie zu bringen, während die c-Achse des supraleitenden Oxidstoffs mit der anderen Richtung auf eine Linie gebracht wird.The Problem of low critical current density of the superconducting Oxidant comes mainly from the electrical anisotropy to the crystals of the superconducting Oxidstoffes own. It is known that the electrical conductivity the superconducting oxides in the directions of the a-axis and The b-axis of the crystal is high, but in the direction of the c-axis is low. To use a formed on a substrate It is therefore superconducting oxide layer as a superconducting element required, on a substrate, a superconducting oxide layer with a good crystal orientation and the a-axis or the b-axis of the crystal of the superconductive oxide with the intended one Direction of current flow to bring a line while the c-axis of the superconducting oxide with the other direction to one Line is brought.

So wurde bisher eine Vorgehensweise verwendet, in der eine Zwischenschicht mit einer guten Kristallorientierung bestehend aus MgO, SrTiO3 oder ähnlichem auf einem Substrat, wie z.B. einem Metallband, mittels eines Zerstäubers gebildet wird und eine supraleitende Oxidschicht auf die Zwischenschicht aufgebracht wird. Die supraleitende Oxidschicht, die auf einer derartigen Zwischenschicht mittels eines Zerstäubers gebildet wird, hat jedoch eine kritische Stromdichte (typischerweise etwa 1.000 bis 10.000 A/cm2), die sehr viel geringer ist, als die einer auf einem aus einem solchen Stoff bestehenden Einkristallsubstrat gebildeten supraleitenden Oxidschicht (typischerweise mehrere hunderttausend A/cm2). Es wird angenommen, dass der Grund für dieses Problem der Folgende ist.So far, an approach has been used in which an intermediate layer having a good crystal orientation consisting of MgO, SrTiO 3 or the like is formed on a substrate such as a metal strip by means of a nebulizer and a superconducting oxide layer is applied to the intermediate layer. However, the oxide superconducting film formed on such an intermediate layer by means of an atomizer has a critical current density (typically about 1,000 to 10,000 A / cm 2 ), which is much lower than that of a single crystal substrate formed of such a substance superconducting oxide layer (typically several hundred thousand A / cm 2 ). It is assumed that the reason for this problem is the following.

14 ist ein Schnittbild eines supraleitenden Oxidelements, das so hergestellt wurde, dass zunächst eine Zwischenschicht 2 auf ein aus einem polykristallinen Stoff bestehendes, in Form eines Metallbands oder von etwas ähnlichem vorliegendes Substrat 1 mittels eines Zerstäubers gebildet wird, und dann eine supraleitende Oxidschicht 3 auf die Zwischenschicht 2 mit dem Zerstäuber aufgebracht wird. In der in 14 gezeigten Struktur befindet sich die supraleitende Oxidschicht 3 in einem polykristallinen Zustand, in dem eine Vielzahl von Kristallkörnern 4 willkürlich aneinandergelagert sind. Jedes dieser Kristallkörner 4 zeigt, dass die c-Achse eines jeden Kristalls rechtwinklig zur Oberfläche des Substrats ausgerichtet ist, die a-Achse und die b-Achse jedoch eine willkürliche Ausrichtung haben. 14 is a sectional view of a superconducting oxide element, which was prepared so that initially an intermediate layer 2 on a substrate made of a polycrystalline material, in the form of a metal strip or something similar 1 is formed by means of an atomizer, and then a superconducting oxide layer 3 on the intermediate layer 2 is applied with the atomizer. In the in 14 The structure shown is the superconducting oxide layer 3 in a polycrystalline state in which a plurality of crystal grains 4 are arbitrarily juxtaposed. Each of these crystal grains 4 shows that the c-axis of each crystal is oriented perpendicular to the surface of the substrate, but the a-axis and the b-axis have an arbitrary orientation.

Wenn die a-Achsen und die b-Achsen in den Kristallkörnern der supraleitenden Oxidschicht willkürlich ausgerichtet sind, verschlechtern sich die supraleitenden Eigenschaften, insbesondere die kritische Stromdichte, da die Quantenkopplung des supraleitenden Zustands in den Korngrenzen, in denen die Kristallorientierung gestört ist, verloren geht.If the a-axes and the b-axes in the crystal grains of the superconducting oxide layer arbitrarily aligned are, deteriorate the superconducting properties, in particular the critical current density, since the quantum coupling of the superconducting State in the grain boundaries in which the crystal orientation is disturbed, get lost.

Es wird angenommen, dass der Grund dafür, dass das supraleitende Oxidelement in einen polykristallinen Zustand gerät, in dem die a-Achsen und die b-Achsen willkürlich ausgerichtet sind, der folgende ist: da die unterhalb des supraleitenden Oxidelements gebildete Zwischenschicht 2 eine polykristalline Struktur mit willkürlich ausgerichteten a-Achsen und b-Achsen aufweist, würde die supraleitende Oxidschicht 3 so gebildet werden, dass sie der Kristallstruktur der Zwischenschicht 2 entspricht.It is assumed that the reason why the oxide superconducting element comes into a polycrystalline state in which the a-axes and the b-axes are arbitrarily aligned is as follows: since the intermediate layer formed below the oxide superconducting element 2 has a polycrystalline structure with arbitrarily aligned a-axes and b-axes, the superconducting oxide layer would 3 be formed so that they match the crystal structure of the intermediate layer 2 equivalent.

Für die Erfinder der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass ein supraleitendes Oxidelement mit einer ausreichenden kritischen Stromdichte dadurch hergestellt werden kann, dass auf einem polykristallinen Substrat mittels eines speziellen Verfahrens eine YSZ (yttriumstabilisiertes Zirkonoxid) Zwischenschicht gebildet wird, die gut ausgerichtete a- und b-Achsen aufweist und dass eine supraleitende Oxidschicht auf die Zwischenschicht aufgebracht wird. In Bezug auf diese Technologie haben die Erfinder verschiedene Anmeldungen eingereicht, nämlich die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. Hei 4-293464, die japanische Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. Hei 8-214806, die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. Hei 8-272606 und die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. Hei 8-272607.For the inventors of the present invention, it has been found that an oxide superconducting element having a sufficient critical current density can be formed by forming on a polycrystalline substrate by a special method a YSZ (yttrium stabilized zirconia) intermediate layer containing well-aligned a and b -Axes and that a superconducting oxide layer is applied to the intermediate layer. With respect to this technology, the inventors have filed various applications, namely Japanese Unexamined Patent Application, First Publication No. Hei 4-293464, Japanese Patent Application, First Publication No. Hei 8-214806, Japanese Unexamined Patent Application, First Publication No. Hei 8-272606 and Japanese Unexamined Patent Application, First Publication No. Hei 8-272607.

Die in diesen Patentanmeldungen vorgeschlagene Lehre ermöglicht es, bei der Bildung einer dünnen Schicht auf einem polykristallinen Substrat unter Verwendung eines aus YSZ bestehenden Targets, YSZ-Kristalle mit einer ungünstigen Kristallorientierung mittels eines ionenstrahlunterstützten Verfahrens selektiv zu entfernen, wobei in diesem Verfahren die schichtbildende Oberfläche des polykristallinen Substrats schräg mit einem Ionenstrahl wie z.B. Ar+ bestrahlt wird, wodurch YSZ-Kristalle mit einer guten Kristallorientierung selektiv abgeschieden werden, was zur Bildung einer Zwischenschicht aus YSZ-Kristallen mit einer guten Kristallorientierung führt.The teaching proposed in these patent applications makes it possible, when forming a thin film on a polycrystalline substrate using a YSZ target, to selectively remove YSZ crystals having an unfavorable crystal orientation by an ion beam assisted process, in which process the film-forming surface of the polycrystalline substrate is obliquely irradiated with an ion beam such as Ar + , whereby YSZ crystals with a good crystal orientation are selectively deposited, resulting in the formation of an intermediate layer of YSZ crystals with a good crystal orientation.

Nach der in den vorangegangenen Anmeldungen der Erfinder vorgeschlagenen Lehre kann eine dünne polykristalline Schicht aus YSZ mit günstig ausgerichteten a- und b-Achsen hergestellt werden. Es wurde auch sichergestellt, dass der auf der dünnen polykristallinen Schicht gebildete supraleitende Oxidstoff eine ausreichende kritische Stromdichte aufweist, und die Erfinder fingen an, nach einer Weiterentwicklung dieser Lehre zur Verbesserung von dünnen polykristallinen Schichten bestehend aus anderen Stoffen zu forschen.To that proposed in the previous applications of the inventors Teaching can be a thin one Polycrystalline layer of YSZ with favorably aligned a- and B-axes are produced. It was also ensured that the one on the thin one Polycrystalline layer formed superconducting oxide sufficient has critical current density, and the inventors began to follow suit a further development of this teaching for the improvement of thin polycrystalline Layers of other substances to research.

15 zeigt ein Schnittbild eines Beispiels eines supraleitenden Oxidelements, das die Erfinder seit kurzem verwenden. Ein nach diesem Beispiel ausgeführtes supraleitendes Oxidelement D weist eine Vierschichtenstruktur auf, die dadurch entsteht, dass mittels der eingangs beschriebenen Lehre, zunächst eine aus YSZ oder MgO bestehende Zwischenschicht 6 zur Orientierungskontrolle auf ein die Form eines Metallbands aufweisendes Substrat 5 gebildet wird, dann eine aus Y2O3 bestehende Zwischenschicht 7 zum Stoppen der Reaktion darauf aufgebracht wird, und darauf wiederum eine supraleitende Oxidschicht 8 gebildet wird. 15 Fig. 12 is a sectional view of an example of a superconductive oxide element recently used by the inventors. A superconductive oxide element D embodied according to this example has a four-layer structure which results from the fact that, by means of the teaching described at the outset, initially an intermediate layer consisting of YSZ or MgO 6 for orientation control on a substrate having the shape of a metal strip 5 is formed, then an intermediate layer consisting of Y 2 O 3 7 to stop the reaction is applied thereto, and in turn a superconducting oxide layer 8th is formed.

Der Grund, weshalb die Vierschichtenstruktur verwendet wird, ist, dass, um eine supraleitende Oxidschicht der Zusammensetzung Y1Ba2Cu7 -x zu erzielen, es notwendig ist, nach Bildung der supraleitenden Oxidschicht mit der gewünschten Zusammensetzung durch Zerstäubung oder ein anderes schichtbildendes Verfahren, eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius vorzunehmen, wobei jedoch die Elemente zwischen den supraleitenden Oxidschichten mit den Zusammensetzungen YSZ und Y1Ba2Cu3O7-x aufgrund der bei der Wärmebehandlung auftretenden Wärme diffundieren können; die Diffusion kann die supraleitenden Eigenschaften verschlechtern und muss verhindert werden. Die YSZ-Kristalle, die die Zwischenschicht 6 zur Orientierungskontrolle bilden, haben eine kubische Kristallstruktur, und die supraleitende Oxidschicht der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3O7-x hat eine Perowskit genannte Kristallstruktur. Beide Kristallstrukturen gehören einer Klasse von kubisch-flächenzentrierten Kristallen an und weisen ähnliche Kristallgitter auf, wobei ein Unterschied von etwa 5% zwischen den Gittergrößen der beiden Strukturen besteht. Der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen zum Beispiel, nämlich der Abstand zwischen einem an einer Ecke des kubischen Gitters befindlichen Atom und einem im Zentrum der kubischen Gitterfläche befindlichen Atom beträgt 3,63 Å (0,363 nm) für YSZ, 3,75 Å (0,375 nm) für Y2O3 und 3,81 Å (0,381 nm) für eine supraleitende Oxidschicht der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3O7-x. Somit weist Y2O3 einen Wert auf, der zwischen denen von YSZ und von Y1Ba2Cu3O7-x liegt, ist hilfreich zur Überbrückung des Unterschieds in der Gittergröße und kann vorteilhafterweise aufgrund der Ähnlichkeit in den Zusammensetzungen als reaktionsstoppende Schicht eingesetzt werden.The reason why the four-layer structure is used is that in order to obtain a superconducting oxide film of composition Y 1 Ba 2 Cu 7 -x , it is necessary to form the superconducting oxide film having the desired composition by sputtering or other film-forming method to perform a heat treatment at a temperature of several hundred degrees Celsius, but the elements between the superconducting oxide layers having the compositions YSZ and Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x can diffuse due to the heat occurring during the heat treatment; Diffusion can degrade the superconducting properties and must be prevented. The YSZ crystals, which are the intermediate layer 6 for orientation control, have a cubic crystal structure, and the superconducting oxide layer of composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x has a perovskite called crystal structure. Both crystal structures belong to a class of cubic face-centered crystals and have similar crystal lattices, with a difference of about 5% between the lattice sizes of the two structures. For example, the distance between the nearest atoms, namely the distance between an atom at a corner of the cubic lattice and an atom at the center of the cubic lattice surface, is 3.63 Å (0.363 nm) for YSZ, 3.75 Å (0.375 nm) ) for Y 2 O 3 and 3.81 Å (0.381 nm) for an oxide superconducting layer of composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x . Thus, Y 2 O 3 has a value intermediate between those of YSZ and Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , is helpful for bridging the difference in the lattice size, and may advantageously be due to the similarity in the compositions as the reaction stopping layer be used.

Mit der in 15 gezeigten Vierschichtenstruktur erhöht sich jedoch die Anzahl an benötigten Schichten, wodurch das Problem entsteht, dass die Anzahl der Herstellungsverfahren erhöht werden muss.With the in 15 However, the four-layer structure shown increases the number of layers required, which causes the problem that the number of manufacturing processes must be increased.

Zum Bilden einer reaktionsstoppenden Zwischenschicht 7 bestehend aus günstig ausgerichteten Y2O3 Kristallen direkt auf das als Metallband ausgebildete Substrat 5 versuchten die Erfinder, die reaktionsstoppende Zwischenschicht 7 auf das Substrat 5 aufzubringen, indem sie dazu das in einer vorangegangenen Anmeldung eingereichte ionenstrahlunterstützte Verfahren anwendeten. Die reaktionsstoppende Zwischenschicht 7 bestehend aus günstig ausgerichteten Y2O3 Kristallen konnte jedoch unter den schichtenbildenden Bedingungen eines herkömmlichen ionenstrahlunterstützten Verfahrens nicht gebildet werden.For forming a reaction stopping intermediate layer 7 consisting of favorably oriented Y 2 O 3 crystals directly on the formed as a metal strip substrate 5 the inventors tried the reaction stopping intermediate layer 7 on the substrate 5 apply the ion beam assisted process submitted in a previous application. The reaction-stopping intermediate layer 7 however, consisting of low orientation Y 2 O 3 crystals could not be formed under the layer forming conditions of a conventional ion beam assisted process.

In der Zwischenzeit wurden Techniken zum Bilden von verschiedenen, gut orientierten Schichten auf polykristalline Substrate auf anderen Gebieten als bei der Anwendung von supraleitenden Oxidstoffen, wie z.B. in dünnen optischen Schichten, magnetooptischen Scheiben, Schaltplatten, Hochfrequenzleiterwellen, Hochfrequenzfilter und Hohlraumresonatoren. Auf jedem dieser Gebiete ist es weiterhin eine Herausforderung, eine günstig orientierte dünne polykristalline Schicht mit einer beständigen Schichtqualität auf einem Substrat zu bilden. Eine dünne polykristalline Schicht mit einer zufriedenstellenden Kristallorientierung würde es ermöglichen, die Qualität von darauf aufzubringenden optischen dünnen Schichten, magnetischen Schichten oder dünnen Schichten für Schaltungen zu verbessern. Die Möglichkeit, dünne optische Schichten, dünne magnetische Schichten oder dünne Schichten für Schaltungen direkt auf dem Substrat mit einer zufriedenstellenden Kristallorientierung bilden zu können, wird stark bevorzugt werden.In the meantime, techniques have been developed for forming various well-oriented layers on polycrystalline substrates in fields other than the use of superconductive oxides such as thin optical layers, magneto-optic disks, circuit boards, high frequency conductor waves, high frequency filters, and cavity resonators. In each of these areas, it is still a challenge, one favorably oriented thin polycrystalline layer with a stable layer quality on a substrate. A thin polycrystalline layer having a satisfactory crystal orientation would enable the quality of optical thin films, magnetic films or thin films for circuits to be applied thereto to be improved. The ability to form thin optical layers, thin magnetic layers or thin layers for circuits directly on the substrate with a satisfactory crystal orientation will be highly preferred.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION THE INVENTION

Die Erfindung soll die eingangs beschriebenen Probleme lösen und wurde vollendet, nachdem die Erfinder die in einer früheren Patentanmeldung offenbarten Verfahren zur Bildung auf einem Substrat, unter Anwendung der ionenstrahlunterstützten Technologie, einer polykristallinen Schicht aus einem seltenen Erdoxidtyp (C), wie z.B. Y2O3 mit einer günstigen Kristallorientierung intensiv studiert hatten. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen polykristallinen Schicht mit Kristallkörnern aus einem seltenen Erdoxidtyp (C), wie z.B. Y2O3, mit einer günstigen Kristallorientierung anzugeben, die es ermöglicht, die c-Achsen der Oxid-Kristallkörner des seltenen Erdoxidtyps (C) rechtwinklig zur Substratoberfläche, auf die die dünne Schicht gebildet werden soll, auszurichten und die a- und b-Achsen der Kristallkörner des seltenen Erdoxidtyps (C) auf einer parallel zur schichtbildenden Oberfläche des Substrats verlaufenden Ebene auszurichten. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oxidelements anzugeben, das ein polykristallines Substrat und eine dünne, auf der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Subtrats gebildete, polykristalline Schicht, sowie eine auf der oben genannten dünnen polykristallinen Schicht gebildete supraleitende Oxidschicht umfasst.The invention is intended to solve the problems described above and has been completed after the inventors disclosed the methods for forming on a substrate disclosed in an earlier patent application, using ion beam assisted technology, a rare earth oxide type polycrystalline layer (C) such as Y 2 O. 3 had studied intensively with a favorable crystal orientation. The object of the present invention is to provide a process for producing a thin polycrystalline layer having rare earth oxide type (C) crystal grains such as Y 2 O 3 having a favorable crystal orientation which enables the c-axes of the oxide crystal grains of the rare earth oxide type (C) at right angles to the substrate surface on which the thin film is to be formed, and aligning the a and b axes of the rare earth oxide type crystal grains (C) on a plane parallel to the film forming surface of the substrate. Another object of the present invention is to provide a method for producing an oxide superconducting element comprising a polycrystalline substrate and a thin polycrystalline layer formed on the film-forming surface of the polycrystalline substrate, and an oxide superconducting layer formed on the above-mentioned thin polycrystalline layer includes.

Die Lösung der eingangs beschriebenen Probleme besteht darin, dass die dünne polykristalline Schicht der vorliegenden Erfindung im wesentlichen aus Oxidkristallkörnern besteht, die eine Kristallstruktur eines seltenen Erdoxidtyps (C) aufweisen, welches durch eine der nachstehenden Formeln dargestellt wird: Y2O3, Sc2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3 und Lu2O3 und auf die schichtbildende Oberfläche eines polykristallinen Substrats aufgebracht wird, wobei die Neigungswinkel der Korngrenze (der Versetzungswinkel der Korngrenze) zwischen den gleichen Kristallachsen der verschiedenen Kristallkörner in der dünnen polykristallinen Schicht entlang der parallel zu der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats verlaufenden Ebene in einem Winkel von 30° gehalten werden, wobei das polykristalline Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 250–350° C gebracht wird, und ein Ionenstrahl aus Kr+- oder Xe+-Ionen oder ein aus diesen Ionen kombinierter Strahl von einer Ionenquelle erzeugt wird, wobei die Energie des Ionenstrahls in einem Bereich zwischen 125 eV und 175 eV eingestellt wurde, während der Einfallswinkel des die Schicht bildende Oberfläche des polykristallinen Substrats bestrahlenden Ionenstrahls zwischen 50 und 60 Grad zur normalen Richtung der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats liegt, wenn die vom aus denselben Elementen wie die dünne polykristalline Schicht bestehenden Target erzeugten Partikel auf das polykristalline Substrat abgeschieden werden.The solution to the above-described problems is that the thin polycrystalline layer of the present invention consists essentially of oxide crystal grains having a rare earth oxide type crystal structure (C) represented by one of the following formulas: Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , He 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Lu 2 O 3 and applied to the film-forming surface of a polycrystalline substrate, wherein the inclination angles of the grain boundary (the displacement angle of the grain boundary) between the same crystal axes of the various crystal grains in the thin polycrystalline layer along the plane parallel to the film-forming surface of the polycrystalline substrate in a plane Angle of 30 °, wherein the polycrystalline substrate is brought to a temperature in the range of 250-350 ° C, and an ion beam of Kr + or Xe + ions or a beam combined from these ions is generated from an ion source, the energy of the ion beam being set in a range between 125 eV and 175 eV, while the angle of incidence of the ion beam irradiating the layer-forming surface of the polycrystalline substrate is between 50 and 60 degrees to the normal direction of the film-forming surface of the polycrystalline substrate, when the particles formed by the target consisting of the same elements as the thin polycrystalline layer are deposited on the polycrystalline substrate.

Das zuvor genannte polykristalline Substrat kann aus einem hitzebeständigen Metallband aus einer Ni-Legierung, die oben erwähnte dünne polykristalline Schicht kann aus Y2O3 bestehen.The aforementioned polycrystalline substrate may be made of a Ni-alloy heat-resistant metal ribbon, and the above-mentioned thin polycrystalline layer may be Y 2 O 3 .

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oxidelements anzugeben, das ein polykristallines Substrat umfasst, welches nach dem zuvor genannten Verfahren hergestellt ist. Des weiteren umfasst das erfindungsgemäße Verfahren eine dünne, auf der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats gebildete, polykristalline Schicht und eine auf der dünnen polykristallinen Schicht gebildete supraleitende Oxidschicht, wobei diese nach dem Abscheiden der dünnen polykristallinen Schicht gebildet wird.One Another object of the present invention is to provide a method for To provide a superconducting oxide element, the polycrystalline substrate, which after the aforementioned Process is made. Furthermore, the method according to the invention comprises a thin, on the film-forming surface polycrystalline substrate formed polycrystalline layer and one on the thin one polycrystalline layer formed superconducting oxide layer, wherein these after depositing the thin ones polycrystalline layer is formed.

Die auf dem polykristallinen Substrat gebildete dünne polykristalline Schicht aus einem seltenen Erdoxidtyp (C), wie z.B. Y2O3, ist in vielerlei Hinsicht vorteilhafter als die herkömmliche dünne Schicht aus YSZ, wenn eine supraleitende Schicht bestehend aus einem Oxid darauf aufgebracht wird.The rare earth oxide type (C) thin polycrystalline layer (C) such as Y 2 O 3 formed on the polycrystalline substrate is more advantageous than the conventional thin film of YSZ in many respects when a superconducting layer consisting of an oxide is deposited thereon.

Zunächst ist die Gitterkonstante von ZrO2, das der Hauptbestandteil des YSZ Kristalls ist, 5,14 Å (0,514 nm) und wenn angenommen wird, dass der Abstand zwischen einem im Zentrum der Fläche der Elementarzelle befindlichen Atom und einem in der Ecke der Elementarzelle befindlichen Atom (der Abstand zwischen den nächstliegenden Atomen) in dem flächenzentrierten kubischen Gitter von ZrO2 3,63 Å (0,363 nm) beträgt, dann ist die Gitterkonstante des Y2O3 Kristalls 5,3 Å (0,53 nm) und die Entfernung zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,75 Å (0,375 nm). Berücksichtigt man, dass der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen eines supraleitenden Oxidstoffs der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3O7-x 3,9 Å (0,39 nm) beträgt, und dass die Gitterkonstante zwischen 5,4 und 5,5 Å (0,54 bis 0,55 nm) liegt, was 2 ½ (die Quadratwurzel aus 2) mal die Größe von 3,9 Å (0,39 nm) ist, so erscheint die dünne polykristalline Schicht aus Y2O3 mit Bezug auf die Kristallentsprechung vorteilhafter als die dünne polykristalline Schicht aus YSZ. Das heißt, dass, beim Abscheiden der Atome der dünnen polykristallinen Schicht mit dem ionenstrahlunterstützten Verfahren, eine normale Abscheidung der Atome unter Verwendung eines Materials, das einen geringeren Abstandswert zwischen den nächstgelegenen Atome aufweist, einfacher erreicht werden könnte. Außerdem, da Y2O3 eine Kristallstruktur des seltenen Erdoxidtyps (C) aufweist, kann ein Stoff mit einer Kristallstruktur des seltenen Erdoxidtyps (C) und mit einer der nachstehenden Zusammensetzungen Sc2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3 und Lu2O3 verwendet werden.First, the lattice constant of ZrO 2 , which is the main constituent of the YSZ crystal, is 5.14 Å (0.514 nm), and it is assumed that the distance between an atom located in the center of the surface of the unit cell and one in the corner of the unit cell Atom (the distance between nearest atoms) in the face centered cubic lattice of ZrO 2 is 3.63 Å (0.363 nm), then the lattice constant of the Y 2 O 3 crystal is 5.3 Å (0.53 nm) and the distance between the nearest atoms 3.75 Å (0.375 nm). Considering that the distance between the nearest atoms of a superconductive oxide of composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x is 3.9 Å (0.39 nm), and that the lattice constant is between 5.4 and 5.5 Å (0.54 to 0.55 nm), which is (the square root of 2) times the size of 3.9 Å (0.39 nm), Thus, the thin polycrystalline layer of Y 2 O 3 with respect to the crystal equivalent appears more advantageous than the thin polycrystalline layer of YSZ. That is, as the atoms of the thin polycrystalline layer are deposited by the ion beam assisted method, normal deposition of the atoms using a material having a smaller distance between the nearest atoms could be more easily achieved. In addition, since Y 2 O 3 has a rare earth oxide type crystal structure (C), a substance having a rare earth oxide type crystal structure (C) and having one of the following compositions Sc 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Lu 2 O 3 .

Die von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, dass BaZrO3 wahrscheinlich durch Thermodiffusion aufgrund der während des Herstellungsprozesses erzeugten Wärme oder aufgrund einer Wärmebehandlung an der Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen YSZ Schicht und der supraleitenden Oxidschicht aus Y1Ba2Cu3O7-x erzeugt werden kann, während die Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht und der supraleitenden Oxidschicht aus Y1Ba2Cu3O7-x unter Wärmebedingungen bei Temperaturen zwischen etwa 700 bis 800°C stabil ist, wodurch eine dünne polykristalline Y2O3 Schicht auch in dieser Hinsicht vielversprechend ist.The research conducted by the inventors has revealed that BaZrO 3 is likely to be formed by thermal diffusion due to the heat generated during the manufacturing process or due to heat treatment at the interface between the thin polycrystalline YSZ layer and the superconducting oxide layer of Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x can be generated while the interface between the polycrystalline Y 2 O 3 thin film and the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x superconducting oxide layer is stable under heat conditions at temperatures between about 700 to 800 ° C, whereby a thin polycrystalline Y 2 O 3 layer is also promising in this regard.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die dünne, Kristallkörner eines seltenen Erdoxidtyps (C) wie z.B. Y2O3 umfassende polykristalline Schicht, die eine günstige Kristallorientierung aufweist und auf dem polykristallinen Substrat mit 30 Grad einschließenden Neigungswinkeln der Korngrenze (dem Versetzungswinkel der Korngrenze) gebildet ist, vorzugsweise als Basis zur Bildung von verschiedenen dünnen Schichten auf dieser Schicht dienen, und ermöglicht den Erhalt von guten supraleitenden Eigenschaften für den Fall, dass die dünne zu bildende Schicht eine supraleitende Schicht ist, den Erhalt von guten optischen Eigenschaften für den Fall, dass die dünne zu bildende Schicht eine optische Schicht ist, den Erhalt von guten magnetischen Eigenschaften für den Fall, dass die dünne zu bildende Schicht eine magnetische Schicht ist, und den Erhalt einer dünnen Schicht mit einem geringeren Schaltwiderstand und weniger Fehlern für den Fall, dass die dünne zu bildende Schicht für Schaltplatten verwendet wird.According to the present invention, the thin rare earth oxide type crystal grains (C) such as Y 2 O 3 may have a favorable crystal orientation and be formed on the polycrystalline substrate at 30 degree inclination angles of the grain boundary (the grain boundary displacement angle) , preferably serve as a base for forming various thin layers on this layer, and enables to obtain good superconducting properties in the case where the thin layer to be formed is a superconducting layer, to obtain good optical properties in the case where the thin layer to be formed is an optical layer, obtaining good magnetic properties in the case where the thin layer to be formed is a magnetic layer, and obtaining a thin layer having a lower switching resistance and fewer errors in the case of the thin one layer to be formed for Switching plates is used.

Das in der dünnen polykristallinen Schicht verwendete Oxid des seltenen Erdoxidtyps (C) kann ein Oxid aus einer der folgenden Zusammensetzungen sein: Y2O3, Sc2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3 und Lu2O3.The rare earth oxide type oxide (C) used in the thin polycrystalline layer may be an oxide of any one of the following compositions: Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , He 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Lu 2 O 3 .

Ein wärmebeständiges Metallband aus einer Ni-Legierung kann als polykristallines Substrat verwendet werden, und es kann ein Metallband gefertigt werden, das die dünne, Kristallkörner eines seltenen Erdoxidtyps (C), wie z.B. Y2O3, umfassende polykristalline Schicht trägt.A Ni-alloy heat-resistant metal tape may be used as the polycrystalline substrate, and a metal tape carrying the thin polycrystalline layer-containing crystal grains of a rare earth oxide type (C) such as Y 2 O 3 may be fabricated.

Da bei der Abscheidung der durch das Y2O3 Target erzeugten Partikel auf das polykristalline Substrat das Substrat in einem Temperaturbereich zwischen 250 bis 350°C gehalten wird, die Energie des Ionenstrahls zwischen 125 eV und 175 eV eingestellt ist, und der Einfallswinkel des das Substrat bestrahlenden Ionenstrahls zwischen 50 und 60 Grad zur normalen Richtung der schichtbildenden Oberfläche beträgt, kann die dünne polykristalline Y2O3 Schicht direkt mit einer guten Kristallorientierung auf dem polykristallinen Substrat gebildet werden, was nach dem bisherigen Stand der Technik unmöglich war.Since, in the deposition of the particles generated by the Y 2 O 3 target on the polycrystalline substrate, the substrate is maintained in a temperature range between 250 to 350 ° C, the energy of the ion beam is set between 125 eV and 175 eV, and the angle of incidence of the Substrate irradiating ion beam is between 50 and 60 degrees to the normal direction of the film-forming surface, the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer can be formed directly with a good crystal orientation on the polycrystalline substrate, which was impossible in the prior art.

Da die dünne polykristalline Y2O3 Schicht direkt auf dem polykristallinen Substrat gebildet werden kann, ist die weitere Beschichtung mit einer dünnen polykristallinen YSZ Schicht nicht notwendig, und die Anzahl der für die Bildung einer zufriedenstellenden Schicht mit einer guten Kristallorientierung auf einem polykristallinen Substrat benötigten Schichten wird reduziert, was zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens beiträgt.Since the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer can be formed directly on the polycrystalline substrate, further coating with a thin polycrystalline YSZ layer is not necessary and the number of times required for forming a satisfactory layer having good crystal orientation on a polycrystalline substrate Layers is reduced, which contributes to the simplification of the manufacturing process.

Wenn die supraleitende Oxidschicht auf der dünnen, mit einer wie oben beschrieben guten Kristallorientierung versehenen polykristallinen Y2O3 Schicht gebildet ist, kann eine supraleitende Oxidschicht mit einer guten Kristallorientierung gebildet werden, wodurch eine supraleitende Oxidschicht mit einer hohen kritischen Stromdichte und einem hohen kritischen Strom hergestellt werden kann. Der Grund hierfür sind die besseren Kristallanpassungseigenschaften an die supraleitende Oxidschicht der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht im Vergleich zur dünnen polykristallinen YSZ Schicht, wodurch es möglich wird, eine supraleitende Oxidschicht mit einer besseren Kristallorientierung zu fertigen als dies unter Verwendung einer dünnen polykristallinen YSZ Schicht möglich ist.When the superconducting oxide film is formed on the thin polycrystalline Y 2 O 3 film provided with good crystal orientation as described above, a superconducting oxide film having a good crystal orientation can be formed, thereby forming a superconducting oxide film having a high critical current density and a high critical current can be produced. The reason for this is the better crystal matching properties to the superconducting oxide layer of the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer compared to the thin polycrystalline YSZ layer, making it possible to fabricate a superconducting oxide layer having a better crystal orientation than that using a thin polycrystalline YSZ layer is possible.

Außerdem, da die dünne polykristallinen Y2O3 Schicht direkt auf dem polykristallinen Substrat gebildet werden kann, kann die Anzahl der Schichten, aus denen das supraleitende Oxidelement besteht, verringert werden, was zu einer Vereinfachung des Herstellungsverfahrens im Vergleich zum Stand der Technik führt, in dem, unter Berücksichtigung der nach der Bildung der supraleitenden Oxidschicht vorgenommenen Wärmebehandlung, eine Doppelschicht aus YSZ und Y2O3 verwendet wird.Moreover, since the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer is formed directly on the polycrystalline substrate can be, the number of layers constituting the oxide superconducting element can be reduced, resulting in a simplification of the manufacturing process as compared with the prior art, in which, taking into account the heat treatment after the formation of the superconducting oxide layer, a double layer from YSZ and Y 2 O 3 is used.

Nachdem es sich bei den von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen herausgestellt hat, dass BaZrO3 wahrscheinlich in der Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen YSZ Schicht und der supraleitenden Oxidschicht aus Y1Ba2Cu3O7-x durch Thermodiffusion aufgrund einer Wärmebehandlung oder von ähnlichem erzeugt wird, wobei jedoch die Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht und der supraleitenden Oxidschicht Y1Ba2Cu3O7 -x unter den Wärmebedingungen bei einer Temperatur zwischen 700 und 800°C stabil ist, ist die dünne polykristallinen Y2O3 Schicht auch in dieser Hinsicht vorteilhaft und ermöglicht es, ein supraleitendes Oxidelement zu schaffen, das, selbst wenn es nach Bildung der supraleitenden Oxidschicht einer Wärmebehandlung unterzogen wird, weniger einer Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften ausgesetzt ist.After the investigations conducted by the inventors, it has been found that BaZrO 3 is likely to be generated in the interface between the YSZ polycrystalline thin film and the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x superconducting oxide layer by thermal diffusion due to heat treatment or the like However, with the interface between the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer and the superconducting oxide layer Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 -x stable under the heat conditions at a temperature between 700 and 800 ° C, the thin polycrystalline Y 2 is O 3 layer is also advantageous in this respect, and makes it possible to provide a superconductive oxide element which, even when subjected to a heat treatment after formation of the oxide superconducting layer, is less susceptible to deterioration of superconducting properties.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSHORT DESCRIPTION THE DRAWING

1 ist eine teilweise Schnittperspektive eines Beispiels für eine dünne, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete polykristalline Schicht. 1 Fig. 10 is a partial sectional perspective of an example of a thin polycrystalline layer formed by the method of the present invention.

2 ist ein vergrößerter Grundriss, der die Kristallkörner der dünnen polykristallinen Schicht aus 1, die Orientierung ihrer Kristallachsen und den Neigungswinkel der Korngrenze (der Versetzungswinkel der Korngrenze) zeigt. 2 FIG. 12 is an enlarged plan view showing the crystal grains of the thin polycrystalline layer 1 , which shows orientation of their crystal axes and the inclination angle of the grain boundary (the displacement angle of the grain boundary).

3 ist eine schematische Darstellung des Kristallgitters einer dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht. 3 is a schematic representation of the crystal lattice of a thin polycrystalline Y 2 O 3 layer.

4 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Verfahren zum Herstellen der dünnen polykristallinen Schicht. 4 Fig. 10 is a schematic illustration of an example of a method for producing the thin polycrystalline layer.

5A ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Ionenquelle für die Vorrichtung aus 4. 5A is a schematic representation of an example of an ion source for the device from 4 ,

5B ist eine schematische Darstellung des Einfallswinkels des Ionenstrahls. 5B is a schematic representation of the angle of incidence of the ion beam.

6 ist eine schematische Darstellung einer auf der dünnen polykristallinen Schicht aus 1 gebildeten supraleitenden Oxidschicht. 6 is a schematic representation of one on the thin polycrystalline layer 1 formed superconducting oxide layer.

7 ist ein vergrößerter Grundriss der Kristallkörner der supraleitenden Oxidschicht aus 6, der Orientierung ihrer Kristallachsen und des Neigungswinkels der Korngrenze (des Versetzungswinkels der Korngrenze). 7 Fig. 12 is an enlarged plan view of the crystal grains of the oxide superconducting layer 6 , the orientation of their crystal axes and the inclination angle of the grain boundary (the displacement angle of the grain boundary).

8 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Vorrichtung zur Bildung einer supraleitenden Oxidschicht auf die dünne polykristalline Schicht aus 1. 8th Fig. 12 is a schematic illustration of an example of an apparatus for forming a superconducting oxide layer on the thin polycrystalline layer 1 ,

9 ist ein Polardiagramm einer in dem Ausführungsbeispiel produzierten dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht. 9 FIG. 12 is a polar diagram of a thin polycrystalline Y 2 O 3 film produced in the embodiment. FIG.

10 zeigt das Verhältnis zwischen der Substrattemperatur und der Y2O3 (400) Spitze in der dünnen in dem Ausführungsbeispiel produzierten polykristallinen Y2O3 Schicht. 10 FIG. 14 shows the relationship between the substrate temperature and the Y 2 O 3 (400) peak in the thin polycrystalline Y 2 O 3 film produced in the embodiment.

11 zeigt das Verhältnis zwischen der Energie des Ionenstrahls und der Y2O3 (400) Spitze in der dünnen in dem Ausführungsbeispiel produzierten polykristallinen Y2O3 Schicht. 11 shows the relationship between the energy of the ion beam and the Y 2 O 3 ( 400 ) Tip in the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer produced in the embodiment.

12 ist ein Röntgenspektrograph, der die (400) Spitze in der in dem Ausführungsbeispiel erzielten polykristallinen Y2O3 Schicht zeigt. 12 FIG. 12 is an X-ray spectrograph showing the (400) tip in the polycrystalline Y 2 O 3 film obtained in the embodiment. FIG.

13 zeigt das Verhältnis zwischen dem Einfallswinkel der Ionenstrahls und der Kristallorientierung während der Erzeugung der in dem Ausführungsbeispiel produzierten polykristallinen Y2O3 Schicht. 13 FIG. 12 shows the relationship between the angle of incidence of the ion beam and the crystal orientation during the production of the polycrystalline Y 2 O 3 film produced in the embodiment.

14 ist eine schematische Darstellung einer dünnen polykristallinen Schicht, die mit einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik hergestellt wurde. 14 is a schematic representation of a thin polycrystalline layer, with a Vorrich tion was made according to the prior art.

15 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Beispiel eines vorbekannten supraleitenden Oxidelements. 15 shows in a sectional view an example of a previously known oxide superconducting element.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNGEMBODIMENTS THE INVENTION

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung nachstehend beschrieben.Based the attached Drawings will become a preferred embodiment of the present invention below described.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem eine dünne, polykristalline Schicht nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren auf einem Substrat gebildet worden ist, in dem A ein bandförmiges polykristallines Substrat bezeichnet, und B eine dünne, auf der Oberfläche des polykristallinen Substrats A gebildete polykristalline Schicht anzeigt. 1 shows an embodiment in which a thin polycrystalline layer has been formed according to the manufacturing method of the invention on a substrate in which A denotes a ribbon-shaped polycrystalline substrate, and B indicates a thin polycrystalline layer formed on the surface of the polycrystalline substrate A.

Das polykristalline Substrat A kann verschiedene Formen aufweisen, wie beispielsweise die eines Blatts, eines Drahtes oder eines Bands. Das polykristalline Substrat A besteht aus einem Metall oder aus einer Legierung wie z.B. Silber, Platin, Edelstahl, Kupfer, Hastelloy oder einer anderen Ni-Legierung, oder einem nicht-metallischen Material wie z.B. Glas oder Keramik.The polycrystalline substrate A may have various shapes, such as for example, a sheet, a wire or a tape. The polycrystalline substrate A is made of a metal or of an alloy such as e.g. Silver, Platinum, Stainless Steel, Copper, Hastelloy or another Ni alloy, or a non-metallic material such as. Glass or ceramics.

Die dünne polykristalline Schicht B dieses Ausführungsbeispiels ist aus zahlreichen, aus Y2O3 mit einer Kristallstruktur eines seltenen Erdoxidtyps (C) eines isometrischen Systems bestehenden feinen Kristallkörnern 20 gebildet, die an den Korngrenzen aneinander gelagert sind, wobei die c-Achse eines jeden Kristallkorns 20 senkrecht zur Oberfläche des Substrats A (der Oberfläche, auf der die Schicht gebildet werden soll) ausgerichtet ist, während die a-Achsen, sowie die b-Achsen der individuellen Kristallkörner 20 die gleiche Richtung aufweisen und in der Substratoberfläche ausgerichtet sind. Die c-Achse eines jeden Kristallkorns 20 ist auch senkrecht zur Oberfläche des polykristallinen Substrats A ausgerichtet, auf welcher die Schicht gebildet werden soll (oberste Fläche). Die Körner sind derart angelagert, dass der Winkel (in 2 dargestellter Neigungswinkel K der Korngrenze) zwischen den a-Achsen (b-Achsen) verschiedener Kristallkörner 20 auf 30 Grad begrenzt ist, beispielsweise im einem Bereich von 25 bis 30 Grad liegt.The thin polycrystalline layer B of this embodiment is composed of numerous fine crystal grains consisting of Y 2 O 3 having a rare earth oxide type crystal structure (C) of an isometric system 20 formed on the grain boundaries are stored together, wherein the c-axis of each crystal grain 20 perpendicular to the surface of the substrate A (the surface on which the layer is to be formed), while the a-axes, as well as the b-axes of the individual crystal grains 20 have the same direction and are aligned in the substrate surface. The c-axis of each crystal grain 20 is also aligned perpendicular to the surface of the polycrystalline substrate A, on which the layer is to be formed (top surface). The grains are attached in such a way that the angle (in 2 shown inclination angle K of the grain boundary) between the a-axes (b-axes) of various crystal grains 20 is limited to 30 degrees, for example, in a range of 25 to 30 degrees.

Als Oxid zur Herstellung der Kristallkörner 20 können Oxide eines seltenen Erdoxidtyps (C) verwendet werden, wie z.B. Sc2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3 und Lu2O3.As an oxide for producing the crystal grains 20 oxides of a rare earth oxide type (C) may be used, such as Sc 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Lu 2 O 3 .

Während das Kristallgitter von Y2O3 einem seltenen Erdoxidtyp (C) angehört, ist das seltene Erdoxidtyp (C) aus einer Fluoritstruktur eines kubischen Kristallsystems abgeleitet und hat eine Struktur derart, dass, wenn acht Elementarzellen einer flächenzentrierten kubischen Struktur, wie sie in 3 dargestellt ist, in länglicher und seitlicher Richtung aufeinander liegen, nur eins der Sauerstoffatome, welche die Zwischengitterplätze zwischen den aus den Y-Atomen bestehenden Gittern eingenommen haben, entfernt wird. Deshalb wird ein Block von acht aufeinander gestapelten Y2O3 Gittern in der Röntgenanalyse als eine Elementarzelle betrachtet und darum beträgt die Gitterkonstante der Elementarzelle 10,6 Å (1,06 nm) die Breite der Elementarzelle, 5,3 Å (0,53 nm) und der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen, 3,75 Å (0,375 nm).While the crystal lattice of Y 2 O 3 belongs to a rare earth oxide type (C), the rare earth oxide type (C) is derived from a fluorite structure of a cubic crystal system and has a structure such that when eight elementary cells of a face centered cubic structure as shown in FIG 3 is shown lying in an oblong and lateral direction, only one of the oxygen atoms which have occupied the interstices between the Y-atoms existing lattice is removed. Therefore, a block of eight stacked Y 2 O 3 lattices is considered as one unit cell in the X-ray analysis, and therefore the lattice constant of the unit cell is 10.6 Å (1.06 nm) the unit cell width, 5.3 Å (0.53 nm) and the distance between the nearest atoms, 3.75 Å (0.375 nm).

Wenn mit einem ionenstrahlunterstützten Verfahren Y2O3 Kristalle unter Bedingungen abgeschieden werden, die später noch beschrieben werden, ist ein wichtiger Faktor der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen, nämlich 3,75 Å (0,375 nm) und liegt vorzugsweise näher an dem Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen, der 3,81 Å (0,381 nm) in der Gitterkonstante 3,81 Å beträgt, und dem Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen, der 3,81 Å (0,381 nm) beträgt, in der supraleitenden Oxidschicht der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3O7-x. Der Unterschied zwischen dem Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen und dem der supraleitenden Schicht mit der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3O7-x ist 1,5% für Y2O3, beträgt aber 4,5% für YSZ, dessen Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,63 Å (0,363 nm) beträgt.If 3 crystals are deposited under conditions with an ion beam assisted method Y 2 O, which are described later, is an important factor, the distance between the nearest atoms, namely 3.75 Å (0.375 nm) and preferably nearer to the distance between the nearest atoms, which is 3.81 Å (0.381 nm) in lattice constant 3.81 Å, and the distance between the nearest atoms, which is 3.81 Å (0.381 nm), in the oxide superconducting layer of composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x. The difference between the distance between the nearest atoms and that of the superconducting layer having the composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x is 1.5% for Y 2 O 3 , but is 4.5% for YSZ whose distance between the nearest atom is 3.63 Å (0.363 nm).

Andere, ebenfalls verwendbare Oxide des seltenen Erdoxidtyps (C) sind:, Sc2O3, dessen Gitterkonstante 9,84 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,48 Å (0,348 nm) beträgt; Nd2O3, dessen Gitterkonstante 11,08 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,92 Å (0,392 nm) beträgt; Sm2O3, dessen Gitterkonstante 10,972 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,86 Å (0,386 nm) beträgt;, Eu2O3, dessen Gitterkonstante 10,868 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,84 Å (0,384 nm) beträgt; Gd2O3, dessen Gitterkonstante 10,813 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,82 Å (0,382 nm) beträgt; Tb2O3, dessen Gitterkonstante 10,73 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,79 Å (0,379 nm) beträgt; Dy2O3, dessen Gitterkonstante 10,665 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,77 Å (0,377 nm) beträgt; Ho2O3, dessen Gitterkonstante 10,606 ist Å, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,75 Å (0,375 nm) beträgt; Er2O3, dessen Gitterkonstante 10,548 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,73 Å (0,373 nm) beträgt; Yb2O3, dessen Gitterkonstante 10,4347 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,69 Å (0,369 nm) beträgt; und Lu2O3, dessen Gitterkonstante 10,39 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,67 Å (0,367 nm) beträgt.Other rare earth oxide type (C) oxides which can also be used are: Sc 2 O 3 , whose lattice constant is 9.84 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.48 Å (0.348 nm); Nd 2 O 3 , whose lattice constant is 11.08 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.92 Å (0.392 nm); Sm 2 O 3 , whose lattice constant is 10.972 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.86 Å (0.386 nm); Eu 2 O 3 , whose lattice constant is 10.868 Å, and where the distance between the nearest Atoms is 3.84 Å (0.384 nm); Gd 2 O 3 , whose lattice constant is 10.813 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.82 Å (0.382 nm); Tb 2 O 3 , whose lattice constant is 10.73 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.79 Å (0.379 nm); Dy 2 O 3 , whose lattice constant is 10.665 Å, and in which the distance between the nearest atoms are 3.77 Å (0.377 nm); Ho 2 O 3 , whose lattice constant is 10.606 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.75 Å (0.375 nm); Er 2 O 3 , whose lattice constant is 10.548 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.73 Å (0.373 nm); Yb 2 O 3 , whose lattice constant is 10.4347 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.69 Å (0.369 nm); and Lu 2 O 3 whose lattice constant is 10.39 Å and where the distance between the nearest atoms is 3.67 Å (0.367 nm).

Eine Vorrichtung zur Herstellung der dünnen polykristallinen Schicht B und ein Verfahren zur Herstellung derselben werden nachstehend beschrieben.A Apparatus for producing the thin polycrystalline layer B and a method for producing the same will be described below described.

4 zeigt ein Beispiel der Vorrichtung zur Herstellung der dünnen polykristallinen Schicht B, deren Aufbau dergestalt ist, dass eine Ionenquelle für den ionenstrahlunterstützten Betrieb an einem Zerstäuber vorgesehen ist. 4 shows an example of the device for producing the thin polycrystalline layer B, the structure of which is such that an ion source for the ion beam assisted operation is provided on a nebulizer.

In diesem Beispiel umfasst die Vorrichtung: einen Abscheidebehälter 40, in den ein Vakuum gepumpt werden kann und der eine Substrathaltevorrichtung 23, die das bandförmige polykristalline Substrat A hält und es währenddessen auf die gewünschte Temperatur bringen kann; eine Substrat spendende Rolle 24 zum Hinführen des polykristallinen Substrats A an die Substrathaltevorrichtung 23; eine Substrataufnahmerolle 25 zum Aufwickeln des polykristallinen Substrats A darauf, wo die dünne polykristalline Schicht gebildet wurde; ein plattenförmiges Target 36, das schräg oberhalb und gegenüber der Substrathaltevorrichtung 23 im Abstand gehalten ist; eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Zerstäuberstrahls 38, die schräg oberhalb des Targets 36 und diesem zugewandt angeordnet ist; und eine Ionenquelle 39, die seitlich gegenüber der Substrathaltevorrichtung 23 im Abstand gehalten ist, und auch vom Target 36 beabstandet ist, enthält.In this example, the device comprises: a separation tank 40 in which a vacuum can be pumped and a substrate holding device 23 which holds the ribbon-shaped polycrystalline substrate A and, meanwhile, can bring it to the desired temperature; a substrate donating role 24 for feeding the polycrystalline substrate A to the substrate holding device 23 ; a substrate receiving roll 25 for winding the polycrystalline substrate A thereon where the thin polycrystalline layer has been formed; a plate-shaped target 36 slanting above and opposite to the substrate holding device 23 is kept at a distance; a device for generating a spray jet 38 that is obliquely above the target 36 and arranged facing this; and an ion source 39 laterally opposite the substrate holding device 23 is kept at a distance, and also from the target 36 is spaced contains.

In der Substrathaltevorrichtung 23 ist ein Heizgerät zum Aufheizen des der Substrathaltevorrichtung 23 in der Form eines Bands zugeführten polykristallinen Substrats A auf die gewünschte Temperatur vorgesehen. Die Substrathaltevorrichtung 23 ist mittels eines Stifts oder etwas ähnlichem auf eine Trägerbasis 23a montiert, so dass sie frei schwenkbar ist, wodurch ihr Neigungswinkel eingestellt werden kann. Die Substrathaltevorrichtung 23 ist in einem optimalen Strahlungsbereich des von der Ionenquelle 39 innerhalb des Abscheidebehälters 40 erzeugten Ionenstrahls angeordnet.In the substrate holding device 23 is a heater for heating the substrate holding device 23 provided in the form of a tape supplied polycrystalline substrate A to the desired temperature. The substrate holding device 23 is by means of a pin or something similar on a support base 23a mounted so that it is free to pivot, whereby its inclination angle can be adjusted. The substrate holding device 23 is in an optimal radiation range from that of the ion source 39 within the separator tank 40 generated ion beam arranged.

In dieser Vorrichtung zur Herstellung der dünnen polykristallinen Schicht, führt die Substrat spendende Rolle 24 kontinuierlich das bandförmige polykristalline Substrat A der Substrathaltevorrichtung 23 zu, und die Substrataufnahmerolle 25 wickelt das polykristalline Substrat A da auf, wo die dünne polykristalline Schicht in dem optimalen Strahlungsbereich gebildet worden ist, wobei die dünne polykristalline Schicht kontinuierlich auf dem polykristallinen Substrat A gebildet wird. Die Substrataufnahmerolle 25 ist außerhalb des optimalen Strahlungsbereichs angeordnet.In this apparatus for producing the thin polycrystalline layer, the substrate donating role 24 continuously the band-shaped polycrystalline substrate A of the substrate holding device 23 to, and the substrate take-up roll 25 wraps the polycrystalline substrate A where the thin polycrystalline layer has been formed in the optimum radiating region, whereby the thin polycrystalline layer is continuously formed on the polycrystalline substrate A. The substrate pickup roller 25 is located outside the optimum radiation range.

Das Target 36 ist zur Bildung der gewünschten dünnen polykristallinen Schicht vorgesehen und besteht aus einem Material der selben oder einer ähnlichen Zusammensetzung wie die der dünnen polykristallinen Schicht. Insbesondere besteht das Target 36 aus CeO2. Das Target 36 wird auf einen Targethalter 36a montiert, der sich mittels eines Stifts oder etwas ähnlichem frei schwenkbar dreht, während dessen Neigungswinkel eingestellt werden kann.The target 36 is intended to form the desired thin polycrystalline layer and consists of a material of the same or a similar composition as that of the thin polycrystalline layer. In particular, there is the target 36 from CeO 2 . The target 36 gets onto a target holder 36a mounted, which rotates freely by means of a pin or something similar, while the inclination angle can be adjusted.

Die einen Strahl erzeugende Zerstäubervorrichtung (Zerstäubermittel) 38 ist derart aufgebaut, dass eine Verdampfungsquelle in einem Behälter untergebracht ist, und dass ein Gitter zum Anlegen einer Spannung in der Nähe der Verdampfungsquelle montiert ist, so dass das Target 36 mit einem Ionenstrahl bestrahlt wird, der Partikel von dem Target 36 abträgt und diese zum polykristallinen Substrat A lenkt.The jet-generating atomizer device (atomizer) 38 is constructed such that an evaporation source is accommodated in a container, and that a grid for applying a voltage is mounted in the vicinity of the evaporation source, so that the target 36 is irradiated with an ion beam, the particles from the target 36 abträgt and this leads to the polycrystalline substrate A.

Die Ionenquelle 39 ist im Wesentlichen ähnlich ausgeführt wie die einen Strahl erzeugende Zerstäubervorrichtung 38, wobei eine beliebige Verdampfungsquelle in einem Behälter untergebracht ist, und ein Gitter zum Anlegen einer Spannung in der Nähe der Verdampfungsquelle montiert ist. Ein Teil der in der Verdampfungsquelle verdampften Atome und Moleküle werden ionisiert, und die ionisierten Partikel werden durch das durch das Gitter erzeugte elektrische Feld gesteuert und zu einem Ionenstrahl gebündelt. Die Partikel können mittels verschiedener Verfahren ionisiert werden, wie z.B. mittels direkter Stromentladung, Hochfrequenzerregung, Glühfadenerhitzung und eines Clusterionenstrahlverfahrens. Das Glühfadenerhitzungsverfahren erzeugt durch die durch das Fließen eines elektrischen Stroms durch einen Wolframglühfaden entstandene Wärme thermische Elektronen und bringt diese dazu, auf die unter hohem Vakuum verdampften Partikel zu treffen, wodurch diese Partikel ionisiert werden. Mit dem Clusterionenstrahlverfahren wird ein Molekülcluster, das von einer Düse, die in einer Öffnung eines eine Verdampfungsquelle enthaltenden Schmelztiegels vorgesehen ist, in ein Vakuum eingespritzt wird, von thermischen Elektronen gestoßen, wodurch es ionisiert und bestrahlt wird.The ion source 39 is substantially similar to the beam generating atomizer device 38 wherein an arbitrary source of evaporation is accommodated in a container and a grid for applying a voltage is mounted in the vicinity of the evaporation source. Part of the atoms and molecules vaporized in the evaporation source are ionized, and the ionized particles are controlled by the electric field generated by the grid and condensed into an ion beam. The particles can be ionized by various methods, such as by direct current discharge, high frequency excitation, filament heating and a cluster ion beam method. The filament heating method generates thermal electrons by the heat generated by the flow of an electric current through a tungsten filament and causes them to strike the high-vacuum evaporated particles, thereby ionizing these particles. With the cluster ion beam method, a molecular cluster provided from a nozzle provided in an opening of a crucible containing an evaporation source becomes is injected into a vacuum, hit by thermal electrons, whereby it is ionized and irradiated.

In der eingangs beschriebenen Vorrichtung zum Erzeugen der dünnen polykristallinen Schicht wird die Ionenquelle 39 verwendet, die innen so ausgeführt ist, wie in 5A gezeigt. Die Ionenquelle 39 umfasst eine zylindrische Ionisationskammer 45, die ein Gitter 46, einen Glühfaden 47, und ein Einlassrohr 48 zum Einbringen von Gas wie Kr oder Xe enthält, und kann Ionen in einem im Wesentlichen parallelen Strahl aus einer am entfernten Ende der Ionisationskammer vorgesehenen Strahlöffnung 49 aussenden.In the apparatus for producing the thin polycrystalline layer described at the outset, the ion source becomes 39 used, which is executed inside, as in 5A shown. The ion source 39 includes a cylindrical ionization chamber 45 that a grid 46 , a filament 47 , and an inlet pipe 48 for introducing gas such as Kr or Xe, and may contain ions in a substantially parallel beam from a jet port provided at the distal end of the ionization chamber 49 send out.

Wie in 4 dargestellt ist die Ionenquelle 39 derart angeordnet, dass ihre Mittellinie S in einem Einfallswinkel 8 (den Winkel zwischen der normalen Richtung der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats A und der Mittellinie S) geneigt ist. Der Einfallswinkel θ beträgt zwischen 50 und 60 Grad, in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 55 und 60 Grad und in der bevorzugtesten Variante etwa 55 Grad. Somit ist die Ionenquelle 39 so angeordnet, dass sie die schichtbildende Oberfläche des polykristallinen Substrats A mit dem Ionenstrahl in einem Einfallswinkel 8 zur normalen Richtung H bestrahlt. Die Erfinder haben eine frühere Patentanmeldung eingereicht, die sich mit dem Einfallswinkel des Ionenstrahls befasst.As in 4 the ion source is shown 39 arranged such that its center line S at an angle of incidence 8th (the angle between the normal direction of the film-forming surface of the polycrystalline substrate A and the center line S) is inclined. The angle of incidence θ is between 50 and 60 degrees, in a preferred embodiment between 55 and 60 degrees, and in the most preferred variant about 55 degrees. Thus, the ion source 39 arranged so that it the layer-forming surface of the polycrystalline substrate A with the ion beam at an angle of incidence 8th irradiated to the normal direction H. The inventors have filed an earlier patent application dealing with the angle of incidence of the ion beam.

Für den von der Ionenquelle 39 auf das polykristalline Substrat A gerichteten Ionenstrahl kann Kr-Gas oder Xe-Gas oder eine Mischung aus verwendet werden. For that of the ion source 39 On the polycrystalline substrate A directed ion beam Kr-gas or Xe gas or a mixture of can be used.

Der Abscheidebehälter 40 ist mit einer Rotationspumpe 51 und einer Kryopumpe 52, mit denen das Innere des Behälters 40 in einen Vakuumzustand versetzt wird, sowie mit einer daran angeschlossenen Quelle atmosphärischen Gases wie z.B. einer Gasflasche versehen, so dass der entleerte Innenraum des Abscheidebehälters 40 mit einem Edelgas wie zum Beispiel Argon gefüllt werden kann.The separation tank 40 is with a rotary pump 51 and a cryopump 52 with which the interior of the container 40 is placed in a vacuum state, and provided with an associated source of atmospheric gas such as a gas cylinder, so that the emptied interior of the separation vessel 40 can be filled with a noble gas such as argon.

Der Abscheidebehälter 40 ist ferner mit einem Stromdichtemessgerät zur Messung der Stromdichte des Ionenstrahls in dem Behälter 40 und mit einem Druckmesser 55 zur Messung des im Behälter 40 herrschenden Drucks ausgestattet.The separation tank 40 is further provided with a current density meter for measuring the current density of the ion beam in the container 40 and with a pressure gauge 55 for measuring the in the container 40 equipped with the prevailing pressure.

Während die die dünne polykristalline Schicht erzeugende Vorrichtung dieses Beispiels so aufgebaut ist, dass die Substrathaltevorrichtung 23 frei schwenkbar auf der Trägerbasis 23a mittels eines Stifts oder ähnlichem montiert ist, und dass ihr Neigungswinkel eingestellt werden kann, kann der Einfallswinkel des Ionenstrahls auch eingestellt werden, indem ein Winkeleinstellungsmechanismus auf die Trägerbasis der Ionenquelle 39 installiert wird, der den Neigungswinkel der Ionenquelle 39 einstellt. Es versteht sich, dass der Winkeleinstellungsmechanismus nicht eingeschränkt ist und dass verschiedene Ausführungen verwendet werden können.While the thin polycrystalline layer-generating device of this example is constructed so that the substrate holding device 23 freely pivotable on the support base 23a is mounted by means of a pin or the like and that its inclination angle can be adjusted, the angle of incidence of the ion beam can also be adjusted by applying an angle adjustment mechanism to the support base of the ion source 39 is installed, the angle of inclination of the ion source 39 established. It is understood that the angle adjustment mechanism is not limited and that various embodiments can be used.

Nachstehend wird ein Arbeitsvorgang beschrieben für den Fall, in dem die dünne polykristalline Y2O3 Schicht B auf dem polykristallinen Substrat A unter Verwendung der Vorrichtung in der oben beschriebenen Ausführung gebildet wird.Hereinafter, an operation will be described for the case where the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer B is formed on the polycrystalline substrate A using the apparatus in the above-described embodiment.

Zum Bilden der dünnen polykristallinen Schicht auf dem bandförmigen polykristallinen Substrat A wird ein aus Y2O3 bestehendes Target 36 verwendet; während der Innenraum des Abscheidebehälters 40, in dem das polykristalline Substrat A untergebracht ist, zur Erzeugung eines tiefen Drucks abgepumpt wird, wird das polykristalline Substrat A mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit von der Substrat spendenden Rolle 24 auf die Substrathaltevorrichtung 23 geführt, und die Ionenquelle 39 und die einen Strahl erzeugende Zerstäubervorrichtung 38 werden betrieben.For forming the thin polycrystalline layer on the belt-shaped polycrystalline substrate A, a target consisting of Y 2 O 3 is formed 36 used; while the interior of the separation tank 40 in which the polycrystalline substrate A is housed, is pumped out to generate a low pressure, the polycrystalline substrate A becomes a substrate-donating roller at a predetermined speed 24 on the substrate holding device 23 guided, and the ion source 39 and the jet-generating atomizer device 38 Are operated.

Wenn das Target 36 mit dem von der einen Strahl erzeugenden Zerstäubervorrichtung 38 erzeugten Strahl bestrahlt wird, werden Partikel von dem Target 36 abgetragen und treffen auf das polykristalline Substrat A auf. Dann werden die vom Target 36 abgetragenen Partikel auf das auf die Substrathaltevorrichtung 23 gebrachte polykristalline Substrat A abgeschieden und gleichzeitig mit einem Ionenstrahl aus beispielsweise von der Ionenquelle 39 erzeugten Kr+ und Xe+ Ionen oder aus einer Kombination von Kr+ und Xe+ Ionen bestrahlt, wodurch eine dünne polykristalline Schicht einer gewünschten Dicke entsteht, während das bandförmige polykristalline Substrat A, das die dünne Schicht trägt, auf die Substrataufnahmerolle 25 gewickelt wird.If the target 36 with the one-beam atomizing device 38 When the generated beam is irradiated, particles are emitted from the target 36 abraded and impinge on the polycrystalline substrate A. Then those from the target 36 ablated particles on the substrate holder 23 deposited polycrystalline substrate A deposited and simultaneously with an ion beam from, for example, from the ion source 39 Kr + and Xe + ions produced or irradiated from a combination of Kr + and Xe + ions, thereby forming a thin polycrystalline layer of a desired thickness, while the band-shaped polycrystalline substrate A carrying the thin layer impinges on the substrate receiving roll 25 is wound.

Der Einfallswinkel θ der Ionenstrahlbestrahlung liegt zwischen 50 bis 60 Grad, in einer bevorzugten Ausführung zwischen 55 und 60 Grad, und in der bevorzugtesten Ausführung bei etwa 55 Grad. Wenn θ 90 Grad beträgt, kann die c-Achse der dünnen polykristallinen Schicht nicht orientiert werden. Wenn θ 30 Grad beträgt, kann die Orientierung der c-Achse der dünnen polykristallinen Schicht nicht erzielt werden. Wenn der Ionenstrahl in einem im oben beschriebenen Bereich liegenden Einfallswinkel auftrifft, ist die c-Achse der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht in vertikaler Richtung ausgerichtet. Wenn die Zerstäubung mit Ionenstrahlbestrahlung in solch einem Einfallswinkel durchgeführt wird, werden die a-Achsen der verschiedenen Körner der auf dem polykristallinen Substrat A gebildeten dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht in die gleiche Richtung und in einer Ebene ausgerichtet, die parallel zur Oberfläche (schichtbildenden Fläche) des polykristallinen Substrats A verläuft; dasselbe gilt für die b-Achsen.The angle of incidence θ of the ion beam irradiation is between 50 and 60 degrees, in a preferred embodiment between 55 and 60 degrees, and in the most preferred embodiment about 55 degrees. When θ is 90 degrees, the c-axis of the thin polycrystalline layer can not be oriented. When θ is 30 degrees, the orientation of the c-axis of the thin polycrystalline layer can not be achieved. When the ion beam is incident in an angle of incidence in the above-described range, the c-axis is the thin aligned polycrystalline Y 2 O 3 layer in the vertical direction. When the ion beam irradiation is performed at such an angle of incidence, the a axes of the various grains of the thin polycrystalline Y 2 O 3 film formed on the polycrystalline substrate A are aligned in the same direction and in a plane parallel to the surface (film forming layer) Surface) of the polycrystalline substrate A; the same applies to the b-axes.

Bei der Bildung der dünnen polykristallinen Schicht B aus einem seltenen Erdoxidtyp (C) wie z.B. Y2O3, ist es notwendig, zusätzlich zur Kontrolle des Einfallswinkels des unterstützenden Ionenstrahls, die Temperatur des polykristallinen Substrats A und die Energie des unterstützenden Ionenstrahls in entsprechenden Bereichen zu halten.In forming the rare earth oxide type thin polycrystalline layer B (C) such as Y 2 O 3 , in addition to controlling the incident angle of the assisting ion beam, it is necessary to have the temperature of the polycrystalline substrate A and the energy of the assisting ion beam in respective regions to keep.

Die Temperatur des polykristallinen Substrats A liegt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zwischen 250 und 350°C und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform bei 300°C.The Temperature of the polycrystalline substrate A is in a particular preferred embodiment between 250 and 350 ° C and in a particularly preferred embodiment at 300 ° C.

Die Energie des Ionenstrahls liegt zwischen 125 und 175 eV und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform bei 150 eV.The Energy of the ion beam is between 125 and 175 eV and in one particularly preferred embodiment at 150 eV.

Die dünne polykristalline Schicht B aus einem seltenen Erdoxidtyp (C) wie z.B. Y2O3, kann nur dann mit einer guten Orientierung gebildet werden, wenn sie mittels eines ionenstrahlunterstützten Verfahrens mit einer in diesen Bereichen sich bewegenden Temperatur und Ionenstrahlenergie auf dem polykristallinen Substrat A gebildet wird.The thin polycrystalline layer B of a rare earth oxide type (C) such as Y 2 O 3 can only be formed with a good orientation if it is supported on the polycrystalline substrate A by means of an ion beam assisted process with a temperature and ion beam energy moving in these regions is formed.

Die 1 und 2 zeigen das polykristalline Substrat A, auf dem die dünne polykristalline Y2O3 Schicht B mit dem oben beschriebenen Verfahren gebildet wurde. Obwohl 1 einen Fall zeigt, in dem eine einzige Schicht Kristallkörner 20 gebildet wird, können die Kristallkörner 20 auch in vielen Schichten abgeschieden werden.The 1 and 2 show the polycrystalline substrate A, on which the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer B was formed by the method described above. Even though 1 shows a case in which a single layer of crystal grains 20 The crystal grains can be made 20 can also be deposited in many layers.

Die Erfinder nehmen an, dass der Grund dafür, dass die Kristallorientierung der dünnen polykristallinen Schicht B ausgerichtet ist, im folgenden liegt: Das Kristallgitter der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht B hat eine Struktur eines seltenen Erdoxidtyps (C) eines kubisch-flächenzentrierten Systems einer isometrischen Kristallstruktur wie in 5B dargestellt, wobei die normale Richtung des Substrats auf der <100> Achse liegt, wobei die verbleibenden <010> Achse und <001> Achse so ausgerichtet sind, wie es aus 5B zu ersehen ist. Beim Studieren des Einfalls des Ionenstrahls in einem Winkel zur normalen Richtung des Substrats mit Bezug auf diese Richtungen stellt sich heraus, dass der Einfallswinkel 54,7 Grad beträgt, wenn der Strahl in diagonaler Richtung des Elementargitters durch den Ursprungspunkt O in 5B, d.h. entlang der Achse <111> geführt wird. Der Grund dafür, dass eine gute Kristallorientierung erzielt wird, wenn wie oben beschrieben der Einfallswinkel zwischen 50 und 60 Grad liegt, liegt möglicherweise darin, dass, wenn der Ionenstrahl in einem Winkel von etwa 54,7 Grad einfällt, die Ionen äußerst wirksam kanalisiert werden, so dass nur solche Atome dazu geeignet sind zu bleiben, die in einer diesem Winkel auf der oberen Oberfläche des polykristallinen Substrats A entsprechenden Anordnung stabilisiert sind, während die anderen instabilen Atome, die sich in einer gestörten Atomanordnung befinden, durch den Ionenstrahl zerstäubt und entfernt werden. Daraus ergibt sich, dass nur solche Kristalle zur Abscheidung übrigbleiben, die aus gut orientierten Atomen bestehen. Zu bemerken ist jedoch, dass die die Kanalisierung des Ionenstrahls begleitende Zerstäuberwirkung des Ionenstrahls mit einem Ionenstrahl aus Kr+ Ionen oder Xe+ Ionen oder aus einem aus Xe+ und Kr+ Ionen bestehenden Ionenstrahl für die dünne polykristalline Y2O3 Schicht wirksam erzielt werden kann.The inventors believe that the reason that the crystal orientation of the thin polycrystalline layer B is aligned is as follows: The crystal lattice of the Y 2 O 3 thin polycrystalline layer B has a rare earth oxide type structure (C) of a cubic face-centered system an isometric crystal structure as in 5B with the normal direction of the substrate being on the <100> axis with the remaining <010> and <001> axes aligned as it is 5B can be seen. In studying the incidence of the ion beam at an angle to the normal direction of the substrate with respect to these directions, it turns out that the incident angle is 54.7 degrees when the beam in the diagonal direction of the elementary grating is caused by the origin O in 5B , ie guided along the axis <111>. The reason that good crystal orientation is achieved when the angle of incidence is between 50 and 60 degrees, as described above, is possibly that when the ion beam is incident at an angle of about 54.7 degrees, the ions are channeled most effectively such that only those atoms are capable of remaining stabilized at an angle corresponding to this on the upper surface of the polycrystalline substrate A, while the other unstable atoms which are in a disordered atomic arrangement are atomized and removed by the ion beam become. It follows that only those crystals are left for the deposition, which consist of well-oriented atoms. It should be noted, however, that the ion beam sputtering effect accompanying the ion beam channeling is effectively achieved with an ion beam of Kr + ions or Xe + ions or an Xe + and Kr + ion beam for the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer can.

Selbst wenn die dünne polykristalline Y2O3 Schicht B unter den oben beschriebenen Bedingungen gebildet wurde, kann eine zufriedenstellende kanalisierende Wirkung des Ionenstrahls nur dann erreicht werden, wenn die Temperatur des polykristallinen Substrats A während der Schichtbildung und die Energie des Ionenstrahls während des ionenstrahlunterstützten Verfahrens in den oben beschriebenen Bereichen liegen. Deshalb ist es bei der Bildung der Schicht erforderlich, alle drei Parameter, als da sind der Einfallswinkel des Ionenstrahls, die Temperatur des polykristallinen Substrats A und die Energie des Ionenstrahls, in den angemessenen Bereichen zu halten.Even if the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer B was formed under the conditions described above, a satisfactory channeling effect of the ion beam can be achieved only when the temperature of the polycrystalline substrate A during film formation and the energy of the ion beam during the ion beam assisted process lie in the areas described above. Therefore, in the formation of the film, it is necessary to keep all three parameters, such as the angle of incidence of the ion beam, the temperature of the polycrystalline substrate A, and the energy of the ion beam, in the appropriate ranges.

Nun wird auf die 6 und 7 Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestellten supraleitenden Oxidelements 22 zeigen. Das Verfahren zur Herstellung des supraleitenden Oxidelements 22 dieses Ausführungsbeispiels umfasst ein die Form eines Blattes aufweisendes polykristallines Substrat A, eine auf der Oberfläche des polykristallinen Substrats A gebildete dünne polykristalline Schicht B, und eine auf der Oberfläche der dünnen polykristallinen Schicht B gebildete supraleitende Oxidschicht C.Now on the 6 and 7 Reference is made, which is an embodiment of a superconducting oxide element according to the invention 22 demonstrate. The method for producing the oxide superconducting element 22 This embodiment comprises a polycrystalline substrate A having a shape of a sheet, a thin polycrystalline layer B formed on the surface of the polycrystalline substrate A, and an oxide superconducting layer C formed on the surface of the polycrystalline thin film B.

Das polykristalline Substrat A und die dünne polykristalline Schicht B bestehen aus denselben Materialien wie die in dem vorangegangenen Beispiel beschriebenen, und Kristallkörner 20 der dünnen polykristallinen Schicht B sind so ausgerichtet, dass die Neigungswinkel der Korngrenze nicht größer sind als 30 Grad, und vorzugsweise zwischen 25 und 30 Grad liegen, wie dies in den 1 und 2 zu ersehen ist.The polycrystalline substrate A and the thin polycrystalline layer B are made of the same materials as those described in the foregoing example, and crystal grains 20 of the thin polycrystalline layer B are oriented so that the inclination angles of the grain boundary are not larger than 30 degrees, and preferably between 25 and 30 degrees, as shown in FIGS 1 and 2 can be seen.

Die gebildete supraleitende Oxidschicht C bedeckt die Oberfläche der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht B, wobei die c-Achsen der Kristallkörner 21 senkrecht zur Oberfläche der dünnen polykristallinen Schicht B ausgerichtet sind, während die a-Achsen und die b-Achsen der Kristallkörner 21 in einer zur Oberfläche des Substrats parallel verlaufenden Ebene in einer ähnlichen Weise wie in dem Fall der zuvor beschriebenen dünnen polykristallinen Schicht B ausgerichtet sind, und die Neigungswinkel K' der Korngrenze zwischen den Kristallkörnern 21 in einem Winkel von 30 Grad gehalten werden.The formed oxide superconducting layer C covers the surface of the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer B, with the c-axes of the crystal grains 21 are aligned perpendicular to the surface of the thin polycrystalline layer B, while the a-axes and the b-axes of the crystal grains 21 in a plane parallel to the surface of the substrate in a similar manner as in the case of the above-described thin polycrystalline layer B, and the inclination angles K 'of the grain boundary between the crystal grains 21 be kept at an angle of 30 degrees.

Das supraleitende Oxidmaterial, aus dem die supraleitende Oxidschicht besteht, ist ein supraleitendes Oxidmaterial mit einer hohen kritischen Temperatur und einer der nachfolgenden Zusammensetzungen Y1Ba2Cu3O7-x, Y2Ba4Cu8Ox oder Y3Ba3Cu6Ox, (Bi, Pb)2Ca2Sr2Cu3Ox oder (Bi, Pb)2Ca2Sr3Cu4Ox oder TI2Ba2Ca2Cu3Ox, TI1Ba2Ca2Cu3Ox oder TI1Ba2Ca3Cu4Ox, aber es kann auch ein Supraleiter aus einem anderen Oxid verwendet werden.The oxide superconducting material constituting the oxide superconducting layer is a high critical temperature superconductive oxide material having one of the following compositions Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , Y 2 Ba 4 Cu 8 O x or Y 3 Ba 3 Cu 6 O x , (Bi, Pb) 2 Ca 2 Sr 2 Cu 3 O x or (Bi, Pb) 2 Ca 2 Sr 3 Cu 4 O x or TI 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x , TI 1 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x or TI 1 Ba 2 Ca 3 Cu 4 O x , but it is also possible to use a superconductor of another oxide.

Die supraleitende Oxidschicht C wird auf der dünnen polykristallinen Schicht B mit einem schichtbildenden Verfahren wie Zerstäubung oder Laserabscheidung gebildet, wobei die auf der dünnen polykristallinen Schicht B gebildete supraleitende Oxidschicht auch eine Kristallorientierung aufweist, die der Orientierung der dünnen polykristallinen Schicht B aus einem seltenen Erdoxidtyp (C) wie z.B. Y2O3 entspricht. Daraus ergibt sich, dass, da die auf der dünnen polykristallinen Schicht B gebildete supraleitende Oxidschicht hervorragende Quantenkopplung in den Korngrenzen leistet und ihre supraleitenden Eigenschaften in den Korngrenzen sich kaum verschlechtern, hat das polykristalline Substrat A eine hohe Stromleitfähigkeit in Längsrichtung und erzeugt eine ausreichend hohe kritische Stromdichte, die mit der einer supraleitenden Oxidschicht, wie sie auf einem Einkristallsubstrat wie z.B. MgO erzielt wird, vergleichbar ist.The oxide superconducting film C is formed on the polycrystalline thin film B by a film forming method such as sputtering or laser deposition, and the superconducting oxide film formed on the thin polycrystalline film B also has a crystal orientation corresponding to the orientation of the rare earth oxide thin film P polycrystalline film B. C), for example Y 2 O 3 . As a result, since the oxide superconducting layer formed on the thin polycrystalline layer B provides excellent quantum coupling in the grain boundaries and its superconducting properties in the grain boundaries hardly deteriorate, the polycrystalline substrate A has high current conductivity in the longitudinal direction and generates a sufficiently high critical Current density comparable to that of a superconducting oxide film obtained on a single crystal substrate such as MgO.

Zum Herstellen der dünnen polykristallinen Schicht B ist Y2O3 besser als YSZ, und das supraleitende Oxidelement, das durch Bildung der supraleitenden Oxidschicht auf der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht entsteht, hält hohen Temperaturen (700 bis 800°C) bei der Wärmebehandlung besser stand als die auf der dünnen polykristallinen YSZ Schicht gebildete supraleitende Oxidschicht und weist eine zufriedenstellende kritische Stromdichte auf, die derjenigen der auf der dünnen polykristallinen YSZ Schicht gebildeten supraleitenden Oxidschicht ähnlich ist. Insbesondere wenn die Schichtdicke zunimmt, verringert sich die kritische Stromdichte selbst nach einer Wärmebehandlung oder ähnlichem weniger, so dass die Herstellung eines Supraleiters mit einem hohen kritischen Strom möglich wird.For producing the thin polycrystalline layer B, Y 2 O 3 is better than YSZ, and the oxide superconducting element formed by forming the oxide superconducting layer on the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer keeps high temperatures (700 to 800 ° C) in the Heat treatment is better than the superconducting oxide layer formed on the thin polycrystalline YSZ layer and has a satisfactory critical current density, which is similar to that of the superconducting oxide layer formed on the thin polycrystalline YSZ layer. In particular, as the film thickness increases, the critical current density decreases even after a heat treatment or the like less, so that the production of a superconductor having a high critical current becomes possible.

Es wird angenommen, dass der Grund für das oben genannte der Folgende ist: Erstens ist die dünne polykristalline Y2O3 Schicht, bei der der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen zur supraleitenden Oxidschicht näher ist als bei der dünnen polykristallinen YSZ Schicht, im Hinblick auf die Kristallentsprechung vorteilhafter.First, the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer in which the distance between the nearest atoms to the superconducting oxide layer is closer than that of the thin polycrystalline YSZ layer is presumed to be the crystal equivalent more advantageous.

Zweitens hat die von den Erfindern durchgeführte Untersuchung ergeben, dass BaZrO3 dazu geeignet ist, in der Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen YSZ Schicht und der supraleitenden Oxidschicht Y1Ba2Cu3O7-xdurch thermische Diffusion aufgrund einer Wärmebehandlung oder ähnlichem erzeugt zu werden, trotzdem ist die Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht und der supraleitenden Oxidschicht Y1Ba2Cu3O7-x unter Erhitzungsbedingungen auf eine Temperatur von etwa 700 bis 800°C stabil, und eine Diffusion der Elemente an dieser Grenzfläche erfolgt kaum. Somit ist die dünne polykristalline Y2O3 Schicht auch im Hinblick darauf vorteilhaft.Secondly, the study conducted by the inventors has revealed that BaZrO 3 is capable of being generated in the interface between the thin polycrystalline YSZ layer and the oxide superconducting layer Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x by thermal diffusion due to heat treatment or the like Nevertheless, the interface between the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer and the superconducting oxide layer Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x under heating conditions to a temperature of about 700 to 800 ° C is stable, and a diffusion of the elements at this Interface hardly occurs. Thus, the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer is also advantageous in view of this.

Außerdem macht YSZ abhängig von der Temperatur eine Phasenumwandlung von einem kubischen System in ein orthorhombisches System durch, während Y2O3 keine Phasenumwandlung erfährt und dadurch im Vorteil ist. Betrachtet man die Bindungskraft an ein Sauerstoffatom, so tendiert Y2O3 stärker dazu, sich mit Sauerstoff zu verbinden als YSZ, was dazu führt, dass die Schicht in zufriedenstellender Weise unter einem geringeren Sauerstoff-Partialdruck gebildet werden kann, wodurch die Vorrichtung weniger belastet wird, was vielversprechender ist.In addition, depending on the temperature, YSZ undergoes phase transformation from a cubic system to an orthorhombic system, while Y 2 O 3 does not undergo phase transformation and thereby has an advantage. Considering the bonding force to an oxygen atom, Y 2 O 3 tends more to bond with oxygen than YSZ, resulting in that the layer can satisfactorily be formed under a lower partial pressure of oxygen, thereby less stressing the device becomes, which is more promising.

Die Vorrichtung zur Bildung der supraleitenden Oxidschicht C wird nachstehend beschrieben.The Apparatus for forming the oxide superconducting film C will be described below described.

8 dient zum Darstellen eines Beispiels für eine Vorrichtung zur Bildung der supraleitenden Oxidschicht und zeigt eine Laserabscheidegerät. 8th Fig. 10 is an illustration of an example of an apparatus for forming the superconducting oxide layer and shows a laser separator.

Das Laserabscheidegerät 60 dieses Beispiels weist einen Behandlungsbehälter 61 auf, in dem ein bandförmiges polykristallines Substrat A und ein Target 63 in einer im Behandlungsbehälter 61 vorgesehenen Abscheidekammer 62 installiert werden können. Insbesondere wird eine Basis 64 auf den Boden der Abscheidekammer 62 gelegt, so dass das polykristalline Substrat A horizontal auf die Oberfläche der Basis 64 gelegt werden kann, und das durch einen Halter 66 getragene Target 63 in geneigtem Zustand schräg oberhalb der Basis 64 angeordnet wird. Das polykristalline Substrat A wird von einem trommelförmigen Bandspender 65a zur Basis 64 geführt und wird von einer trommelförmigen Bandaufnahmevorrichtung 65a aufgewickelt.The laser separator 60 This example has a treatment tank 61 in which a band-shaped polycrystalline substrate A and a target 63 in one in the treatment tank 61 provided deposition chamber 62 can be installed. In particular, it becomes a base 64 to the bottom of the deposition chamber 62 placed so that the polycrystalline substrate A is horizontal to the surface of the base 64 can be placed, and that by a holder 66 worn target 63 in an inclined state obliquely above the base 64 is arranged. The polycrystalline substrate A is from a drum-shaped tape dispenser 65a to the base 64 guided and is of a drum-shaped tape recording device 65a wound.

Der Behandlungsbehälter 61 ist über eine Ausströmöffnung 67a an einer Vakuumpumpanlage 67 angeschlossen, so dass der Innendruck auf einen vorbestimmten Pegel abgesenkt werden kann.The treatment tank 61 is over an outflow opening 67a at a vacuum pumping station 67 connected so that the internal pressure can be lowered to a predetermined level.

Das Target 63 ist ein Blatt, das aus einem gesinterten zusammengesetzten Oxid oder aus einem die selbe oder eine ähnliche Zusammensetzung wie die zu bildende supraleitende Oxidschicht C aufweisenden supraleitenden Oxidmaterial besteht, oder enthält eine höhere Konzentration eines Bestandteils, der während der Schichtbildung entflieht.The target 63 is a sheet composed of a sintered composite oxide or a superconducting oxide material having the same or a similar composition as the superconductive oxide layer C to be formed, or contains a higher concentration of a component that escapes during the layer formation.

Die Basis 64 beinhaltet eine Heizung zum Erwärmen des polykristallinen Substrats A auf eine gewünschte Temperatur.The base 64 includes a heater for heating the polycrystalline substrate A to a desired temperature.

Seitlich der Behandlungskammer 61 befinden sich eine Laservorrichtung 68, ein erster Reflektor 69, eine Kondensatorlinse 70, und ein zweiter Reflektor 71, so dass ein von der Laservorrichtung 68 erzeugter Laserstrahl über ein in einer Seitenwand des Behandlungsbehälters 61 vorgesehenes durchsichtiges Fenster 72 auf das Target 63 gerichtet werden kann und darauf auftrifft. Als Laservorrichtung 68 können alle Arten von Lasern eingesetzt werden, einschließlich ein YAG-Laser, ein CO2-Laser und ein Excimerenlaser, sofern sie Partikel von dem Target 63 abtragen können.Side of the treatment chamber 61 are a laser device 68 , a first reflector 69 , a condenser lens 70 , and a second reflector 71 so that one from the laser device 68 generated laser beam via a in a side wall of the treatment container 61 provided transparent window 72 on the target 63 can be directed and hits it. As a laser device 68 For example, all types of lasers can be used, including a YAG laser, a CO 2 laser, and an excimer laser, provided they include particles from the target 63 can ablate.

Als nächstes wird ein Arbeitsvorgang zur Bildung der supraleitenden Oxidschicht C auf der dünnen polykristallinen Schicht B beschrieben.When next becomes an operation for forming the superconducting oxide layer C on the thin polycrystalline layer B described.

Nach der Bildung der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht B auf dem polykristallinen Substrat A wird die supraleitende Oxidschicht auf der dünnen polykristallinen Schicht B gebildet. In dieser Ausführungsform wird zur Bildung der supraleitenden Oxidschicht auf der dünnen polykristallinen Schicht B das in 8 gezeigte Laserabscheidegerät 60 verwendet.After the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer B is formed on the polycrystalline substrate A, the superconducting oxide layer is formed on the thin polycrystalline layer B. In this embodiment, to form the superconducting oxide layer on the thin polycrystalline layer B, the in 8th shown laser separator 60 used.

Das polykristalline Substrat A mit der darauf gebildeten dünnen polykristallinen Schicht B wird auf die Basis 64 des in 8 gezeigten Laserabscheidegeräts 60 gelegt, und die Abscheidekammer 62 wird mittels einer Vakuumpumpe entleert. Hier kann zur Schaffung einer Sauerstoffatmosphäre in der Abscheidekammer 62 Sauerstoff in die Abscheidekammer 62 eingeführt werden. Die in der Basis 64 eingebaute Heizung wird angetrieben, damit sie das polykristalline Substrat A auf die gewünschte Temperatur aufheizt.The polycrystalline substrate A having the thin polycrystalline layer B formed thereon becomes the base 64 of in 8th shown Laserabscheidegeräts 60 placed, and the deposition chamber 62 is emptied by means of a vacuum pump. This can help create an oxygen atmosphere in the deposition chamber 62 Oxygen into the deposition chamber 62 be introduced. The in the base 64 Built-in heater is driven so that it heats the polycrystalline substrate A to the desired temperature.

Daraufhin wird das Target 63 in der Abscheidekammer 62 mit dem von der Laservorrichtung 68 erzeugten Laserstrahl bestrahlt. Dadurch wird das Material, aus dem das Target besteht, von dem Target 63 abgetragen oder es wird verdampft und auf die dünne polykristalline Schicht B abgeschieden. Da die dünne polykristalline Y2O3 Schicht B, auf der die Partikel abgeschieden wurden, sich in einem Zustand befindet, in dem die c-Achsenorientierung erfolgt ist, während die a- und b-Achsen ebenfalls orientiert sind, wird eine Epitaxie der Kristalle erreicht, bei der die c-Achsen, a-Achsen und b-Achsen der Kristalle der auf der dünnen polykristallinen Schicht B gebildeten supraleitenden Oxidschicht C der dünnen polykristallinen Schicht B entsprechen. So kann eine supraleitende Oxidschicht C mit einer zufriedenstellenden Kristallorientierung erzielt werden.Then the target becomes 63 in the deposition chamber 62 with that of the laser device 68 generated laser beam irradiated. As a result, the material that makes up the target becomes the target 63 is removed or it is vaporized and deposited on the thin polycrystalline layer B. Since the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer B on which the particles have been deposited is in a state where the c-axis orientation has been made while the a and b axes are also oriented, an epitaxial growth of the crystals will occur is achieved in which the c-axes, a-axes and b-axes of the crystals of the superconducting oxide layer C formed on the thin polycrystalline layer B correspond to the thin polycrystalline layer B. Thus, a superconductive oxide film C having a satisfactory crystal orientation can be obtained.

Die auf der dünnen polykristallinen Schicht B gebildete supraleitende Oxidschicht C ist polykristallin, obwohl in den einzelnen Kristallkörnern der supraleitenden Oxidschicht C die c-Achse, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, in der Richtung der Dicke des polykristallinen Substrats A ausgerichtet ist, und die a- oder b-Achsen verschiedener Körner in Längsrichtung des polykristallinen Substrats A orientiert sind. Da die so gebildete supraleitende Oxidschicht gute Quantenkopplungseigenschaften in den Korngrenzen aufweist, und sich ihre supraleitenden Eigenschaften in den Korngrenzen weniger verschlechtern, sind die elektrische Leitfähigkeit in der Richtungsebene des polykristallinen Substrats A und die kritische Stromdichte hoch. Zur Stabilisierung der Kristallorientierung und der Schichtqualität der supraleitenden Oxidschicht C, wird vorzugsweise eine Wärmebehandlung auf eine Temperatur von 700 bis 800°C in der erforderlichen Zeitspanne vorgenommen und dann gekühlt. (Ausführungsformen)The oxide superconducting layer C formed on the thin polycrystalline layer B is polycrystalline, although in the individual crystal grains of the oxide superconducting layer C, the c-axis having high electric conductivity is oriented in the direction of the thickness of the polycrystalline substrate A, and the a - or b-axes of different grains in the longitudinal direction of the polycrystalline substrate A are oriented. Since the superconductive oxide layer thus formed has good quantum coupling properties in the grain boundaries and less deteriorates its superconducting properties in the grain boundaries, the electrical conductivity in the directional plane of the polycrystalline substrate A and the critical current density are high. To stabilize the crystal orientation and the layer quality of the oxide superconducting layer C, it is preferable to heat-treat to a temperature of 700 to 800 ° C in the required period of time taken and then cooled. (Embodiments)

Mit der Vorrichtung zur Bildung einer dünnen polykristallinen Schicht in der Ausführungsform nach 4 wurde der Abscheidebehälter mittels einer Rotationspumpe und einer Kryopumpe auf einen Druck von 3,0 × 10–4 Torr (399,9 × 10–4 Pa) entleert. Als Substrat wurde ein 10 mm breites, 0,5 mm dickes und 100 cm langes, auf Hochglanz poliertes Hastelloy Band C276 verwendet. Das Target bestand aus Y2O3. Die Zerstäuberbedingungen wurden wie folgt eingestellt: eine Zerstäuberspannung von 1000 V, ein Zerstäuberstrom von 100 mA, wobei der Einfallswinkel des von der Ionenquelle erzeugten Kr+ Ionenstrahls zur normalen Richtung der schichtbildenden Substratoberfläche 55 Grad, der Weg des Ionenstrahls 40 cm, eine Ionenquelle-Hilfsspannung 150 eV, eine Stromdichte der Ionenquelle 100 μA/cm2, die Temperatur des Substratsbands 300°C und die Sauerstoffabgabe an die Luft 1 × 10–4 Torr (133,3 × 10–4 Pa) betragen; dabei wurden. die Targetpartikel auf das Substrat abgeschieden und gleichzeitig die dünne polykristalline Y2O3 Schicht durch Bestrahlung mit dem Ionenstrahl in einer Dicke von 1,0 μm gebildet.With the device for forming a thin polycrystalline layer in the embodiment according to 4 The separation vessel was evacuated to a pressure of 3.0 × 10 -4 Torr (399.9 × 10 -4 Pa) by means of a rotary pump and a cryopump. The substrate used was a 10 mm wide, 0.5 mm thick and 100 cm long, high gloss polished Hastelloy C276 tape. The target consisted of Y 2 O 3 . The atomization conditions were set as follows: a sputtering voltage of 1000 V, a sputtering current of 100 mA, the incident angle of the ion source-generated Kr + ion beam to the normal direction of the film-forming substrate surface being 55 degrees, the ion beam traveling 40 cm, an ion source auxiliary voltage 150 eV, a current density of the ion source is 100 μA / cm 2 , the temperature of the substrate tape is 300 ° C, and the oxygen release to the air is 1 × 10 -4 Torr (133.3 × 10 -4 Pa); were there. deposited the target particles on the substrate and simultaneously formed the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer by irradiation with the ion beam in a thickness of 1.0 microns.

Aufgrund einer Röntgenbeugungsanalyse der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht, die mit einem θ – 2θ Verfahren unter Verwendung der CuK''-Linie erzielt wurde, wurde wie in 9 gezeigt, ein Polardiagramm mit Bezug auf die <200> Richtung von Y2O3 gezeichnet. Aus dem in 9 gezeigten Polardiagramm wird ersichtlich, dass die dünne polykristalline Y2O3 Schicht B eine zufriedenstellende Kristallorientierung hat. Aus dem in 9 gezeigten Polardiagramm wurde ein Neigungswinkel der Korngrenze von 27 Grad für die dünne polykristalline Y2O3 Schicht bestimmt.Based on an X-ray diffraction analysis of the thin polycrystalline Y 2 O 3 film obtained by a θ-2θ method using the CuK "line, as in 9 shown a polar plot with respect to the <200> direction of Y 2 O 3 drawn. From the in 9 As shown in the polar diagram, it can be seen that the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer B has a satisfactory crystal orientation. From the in 9 As shown in the polar diagram, an inclination angle of the grain boundary of 27 degrees was determined for the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer.

Dann wurden die schichtbildenden Bedingungen für die dünne polykristalline Y2O3 Schicht geprüft, indem die Orientierung der erhaltenen dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht durch Änderung der Energie des Ar+ Ionenstrahls und der Substrattemperatur getestet wurde. Die Ergebnisse werden nachstehend beschrieben.Then, the film-forming conditions for the thin polycrystalline Y 2 O 3 film were examined by testing the orientation of the thin Y 2 O 3 polycrystalline film obtained by changing the energy of the Ar + ion beam and the substrate temperature. The results are described below.

Die Abmessungen der Höhe der (400) Spitze der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht bei verschiedenen Substrattemperaturen werden in 10 gezeigt.The dimensions of the height of the (400) tip of the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer at different substrate temperatures are shown in FIG 10 shown.

Eine höhere Höhe der (400) Spitze bedeutet eine bessere Orientierung der c-Achse, nämlich der Vertikalachse der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht. Daraus wird ersichtlich, dass die Substrattemperatur zwischen 250 und 350°C und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform bei 300°C liegen muss, damit die Vertikalachsenorientierung der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht gewährleistet ist.A higher height of the (400) peak means a better orientation of the c-axis, namely the vertical axis of the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer. It can be seen that the substrate temperature must be between 250 and 350 ° C and in a particularly preferred embodiment at 300 ° C, so that the vertical axis orientation of the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer is ensured.

Die Abmessungen der Höhe der (400) Spitze der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht bei verschiedenen Energiewerten des Ionenstrahls sind aus 11 ersichtlich.The dimensions of the height of the (400) tip of the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer at different energy levels of the ion beam are out 11 seen.

11 zeigt, dass die Vertikalachsenorientierung der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht dadurch gesichert werden kann, dass die Energie des Ionenstrahls zwischen 100 und 300 eV, vorzugsweise zwischen 125 und 175 eV, und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform auf 150 eV eingestellt wird. Wie 12 zeigt, wurde das Diagramm der in 11 gezeigten (400) Spitze aus den an verschiedenen Y2O3 Proben gemessenen (400) Spitzenwerten erstellt. 11 shows that the vertical axis orientation of the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer can be ensured by adjusting the energy of the ion beam between 100 and 300 eV, preferably between 125 and 175 eV, and in a particularly preferred embodiment on 150 eV. As 12 shows, the diagram of in 11 (400) peak produced from the (400) peaks measured on various Y 2 O 3 samples.

Es wurden Polardiagramme von verschiedenen, unter unterschiedlichen Bedingungen bezüglich der Energie des Ionenstrahls und der Substrattemperatur gebildeten dünnen polykristallinen Y2O3 Schichtproben erstellt. Tabelle 1 zeigt die aus den Polardiagrammen der verschiedenen schichtbildenden Bedingungen bestimmten Neigungswinkel der Korngrenze. Tabelle 1

Figure 00290001
Polar plots of various thin polycrystalline Y 2 O 3 film samples formed under different conditions with respect to the energy of the ion beam and the substrate temperature were prepared. Table 1 shows the grain boundary tilt angle determined from the polar diagrams of the various film-forming conditions. Table 1
Figure 00290001

In Tabelle 1 zeigt das Zeichen x an, dass das Muster des Polardiagramms wie in 9 gezeigt sich eher verteilte, als dass es zusammenlief, und der Neigungswinkel der Korngrenze konnte nicht gemessen werden. Die in der Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse ergaben, dass, zum Erzielen der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht mit einem Neigungswinkel der Korngrenze unterhalb 30 Grad, es erforderlich ist, die Energie des Ionenstrahls zwischen 135 eV und 175 eV und die Substrattemperatur zwischen 250 und 350°C einzustellen.In Table 1, the character x indicates that the pattern of the polar diagram is as in 9 showed rather distributed than it converged, and the angle of inclination of the grain boundary could not be measured. The results shown in Table 1 revealed that, to obtain the thin polycrystalline Y 2 O 3 film having an inclination angle of the grain boundary below 30 degrees, it is necessary to have the energy of the ion beam between 135 eV and 175 eV and the substrate temperature between 250 and 175 350 ° C to adjust.

13 zeigt das Verhältnis zwischen dem Einfallswinkel der Ionenstrahls und der Kristallorientierung der dünnen polykristallinen Schicht, wenn die dünne polykristalline Y2O3 Schicht unter Änderung des Einfallswinkels des Ionenstrahls hergestellt wird, während alle anderen Bedingungen dieselben bleiben wie oben beschrieben. 13 shows the relationship between the incident angle of the ion beam and the crystal orientation of the polycrystalline thin film when the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer is produced by changing the angle of incidence of the ion beam, while all other conditions remain the same as described above.

Es ist klar, dass eine bessere Kristallorientierung dann erzielt werden kann, wenn der Einfallswinkel des Ionenstrahls zwischen 50 und 60 Grad beträgt. In Proben, die unter Bedingungen außerhalb dieses Bereichs hergestellt wurden, konnte kein Bereich gefunden werden, in dem das Muster des Polardiagramms zusammenläuft, und die volle Breite konnte bei der Hälfte des Maximum nicht gemessen werden.It it is clear that a better crystal orientation will be achieved then can if the angle of incidence of the ion beam between 50 and 60 Degree is. In samples prepared under conditions outside this range no area could be found in which the pattern of the Polar diagram converges, and the full width could not be measured at half the maximum become.

Als nächstes wurde die supraleitende Oxidschicht auf der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht unter Verwendung eines Laserabscheidegeräts in der Ausführung, wie sie in 8 gezeigt wird, gebildet. Es wurde ein Target aus einem supraleitenden Oxidmaterial der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3O7-x verwendet. Die Abscheidekammer wurde auf einen Innendruck von 1 × 10–6 Torr (133,3 × 10–6 Pa) entleert und es wurde eine Laserabscheidung bei Raumtemperatur durchgeführt. Ein mit einer Wellenlänge von 193 nm schwingender ArF Laser wurde zum Verdampfen des Targets verwendet. Dann wurde 60 Minuten lang in einer Sauerstoffatmosphäre eine Wärmebehandlung bei 400°C durchgeführt. Es wurde ein 1,0 cm breites und 100 cm langes supraleitendes Oxidelement erzielt. Schichtdicke (μm) 1 Jc (A/cm2) 4,0 × 105 Ic (A) 40 Next, the oxide superconducting film was grown on the thin polycrystalline Y 2 O 3 film by using a laser deposition apparatus of the type described in US Pat 8th is shown formed. A target of a superconducting oxide material of composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x was used. The deposition chamber was evacuated to an internal pressure of 1 × 10 -6 Torr (133.3 × 10 -6 Pa) and laser deposition was performed at room temperature. A 193 nm wavelength ArF laser was used to vaporize the target. Then, heat treatment was carried out at 400 ° C for 60 minutes in an oxygen atmosphere. A 1.0 cm wide and 100 cm long oxide superconducting element was obtained. Layer thickness (μm) 1 Jc (A / cm2) 4.0 × 10 5 Ic (A) 40

Claims (2)

Ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen polykristallinen Schicht bestehend aus Oxidkristallkörnern, deren Kristallstruktur ein seltenes Erdoxidtyp (C) ist, das mit einer der nachstehenden Formeln beschrieben wird: Y2O3, Sc2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3 und Lu2O3, die auf der schichtbildenden Oberfläche eines polykristallinen Substrats aufgebracht werden, wobei die Neigungswinkel der Korngrenze zwischen entsprechenden Kristallachsen verschiedener Kristallkörner entlang der parallel zur schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats verlaufenden Ebene in einem Winkel von 30° gehalten werden, wobei das polykristalline Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 250 bis 350°C gebracht wird, und ein Ionenstrahl aus Kr+ oder Xe+ Ionen oder ein aus diesen Ionen kombinierter Strahl von einer Ionenquelle erzeugt wird, wobei die Energie des Ionenstrahls in einem Bereich von zwischen 125 eV und 175 eV eingestellt wurde, während der Einfallswinkel des die schichtbildende Oberfläche des polykristallinen Substrats bestrahlenden Ionenstrahls zwischen 50 und 60 Grad zur normalen Richtung der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats liegt, wenn die vom aus denselben Elementen wie die dünne polykristalline Schicht bestehenden Target erzeugten Partikel auf das polykristalline Substrat abgeschieden werden.A method for producing a thin polycrystalline layer composed of oxide crystal grains whose crystal structure is a rare earth oxide type (C) described by any one of the following formulas: Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3, and Lu 2 O 3 coated on the film-forming surface of a polycrystalline substrate wherein the inclination angles of the grain boundary between respective crystal axes of different crystal grains are kept at an angle of 30 ° along the plane parallel to the film-forming surface of the polycrystalline substrate, the polycrystalline substrate being brought to a temperature in the range of 250 to 350 ° C, and an ion beam of Kr + or Xe + ions or a beam combined from these ions is generated from an ion source, the energy of the ion beam being in a range of between 125 eV and 175 eV is set while the angle of incidence of the ion beam irradiating the film-forming surface of the polycrystalline substrate is between 50 and 60 degrees to the normal direction of the film-forming surface of the polycrystalline substrate when the particles formed by the same elements as the thin polycrystalline layer are exposed to the polycrystalline Substrate are deposited. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oxidelements, das ein polykristallines Substrat, eine dünne auf der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats gebildete polykristalline Schicht und eine auf der dünnen polykristallinen Schicht gebildete supraleitende Oxidschicht umfasst, wobei die dünne polykristalline Schicht gemäß dem Verfahren des Anspruchs 1 hergestellt wird und die supraleitende Oxidschicht nach dem Abscheiden der dünnen polykristallinen Schicht gebildet wird.Method for producing an oxide superconducting element a polycrystalline substrate, a thin one on the film-forming substrate surface the polycrystalline substrate formed polycrystalline layer and one on the thin one comprises polycrystalline layer formed superconducting oxide layer, being the thin one polycrystalline layer according to the method of claim 1 and the superconducting oxide layer after the deposition of the thin polycrystalline layer is formed.
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